ES2310203T3 - Composicion de catalizador y metodo para oxidar mezclas. - Google Patents

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Abstract

Método para oxidar un combustible, que comprende proporcionar una mezcla de catalizador dentro de agua, incluyendo dicha mezcla de catalizador al menos una concentración de al menos 0,07 mg/ml de Al como AlCl3, una concentración de al menos 0,1 mg/ml de Re como HReO4, una concentración de al menos 0,07 mg/ml de Rh como RhCl3 y una concentración de al menos 0,28 mg/ml de Pt como H2PtCl6 u 6H2O; añadir un líquido a dicha mezcla de catalizador, comprendiendo el líquido etilenglicol, agua y cloruro de litio, para producir una mezcla combinada de catalizador; ajustar dicha mezcla combinada de catalizador a un pH inferior a 4,0; mezclar una parte de dicha mezcla combinada de catalizador con aire de combustión antes de mezclar dicha mezcla combinada de catalizador con un combustible que ha de ser oxidado; y oxidar el combustible.

Description

Composición de catalizador y método para oxidar mezclas.
La presente invención se refiere generalmente a una composición y un método para catalizar la oxidación, y más particularmente a una mezcla combinada de catalizador para la oxidación de un combustible.
Estado de la técnica
El burbujeo o borboteo (sparging) de aire a través de una mezcla catalítica que incluye compuestos de platino, rodio y renio se ha utilizado para transportar los compuestos de platino, rodio y renio al interior de una cámara de combustión de, por ejemplo, un motor de un automóvil para reducir la polución proveniente del motor (véase por ejemplo US-A-5085841).
El documento US-A-552531 6 revela una solución de catalizador que comprende uno o varios compuestos de un catalizador metálico y un solvente orgánico. El metal puede ser seleccionado del grupo compuesto por platino, renio y rodio. El documento US-A-4382017 describe una solución no congelable de catalizador que comprende una mixtura de un compuesto hidrosoluble de platino y cloro en una cantidad catalítica, así como un compuesto anticongelante. Dicho compuesto de platino y cloro es H_{2}PtCl_{6}*6H_{2}O.
La utilización y la operación de catalizadores en los procesos de oxidación son generalmente conocidas en la técnica porque aumentan la eficiencia del proceso de oxidación y, en casos particulares, porque reducen la contaminación. Existe la necesidad de obtener mayores eficiencias y la reducción de la polución.
Además de ello, se ha comprobado que las partículas dispersadas en mezclas de catalizador se aglomeran debido al calor o a la formación de complejos con aditivos orgánicos en la mezcla catalítica. Existe la necesidad de impedir la aglomeración de las partículas dispersadas, puesto que las partículas aglomeradas son más difíciles de hacer salir de la mezcla catalítica mediante una corriente de aire, por lo menos parcialmente, porque son más pesadas que partículas no aglomeradas.
Por consiguiente, existe una necesidad de disponer de una composición de catalizador y un método para oxidar un combustible que impida la aglomeración de las partículas dispersadas en la mezcla de catalizador, reduzca las emisiones contaminantes e incremente la potencia generada por la oxidación del combustible.
Las necesidades arriba mencionadas son satisfechas por un método de acuerdo con la reivindicación 1, una mezcla combinada de catalizador de acuerdo con la reivindicación 18, y la utilización de dicha mezcla combinada de catalizador de acuerdo con la reivindicación 24.
La presente invención se refiere a un método para oxidar combustibles mediante la utilización de una mezcla combinada de catalizador que se añade a una zona de llama de un proceso de oxidación. La composición y métodos de la presente invención pueden proporcionar una manera de aumentar la eficiencia de la oxidación de combustibles, de lo cual resultan emisiones contaminantes reducidas, una mayor potencia y una combustión más estable, lo que tiende a resultar en un menor desgaste del motor. Las realizaciones de la invención generan dentro de la zona de llama un entorno que contiene catalizador mediante el borboteo (sparging) de gas a través de una mezcla combinada de catalizador y el transporte del gas resultante, que contiene partículas de catalizador, a la zona de llama para influir en la química del proceso de oxidación. Las partículas de catalizador pueden ser inyectadas directamente en la zona de llama o pueden ser inyectadas o aspiradas indirectamente al interior de la zona de llama, como por ejemplo a través de una toma de aire hacia la zona de llama. Un gas de borboteo (sparging gas) ionizado puede mejorar aún más los resultados.
Adicionalmente, la mezcla combinada de catalizador puede incluir uno o varios de un sorbente, un agente anticongelante y un surfactante. Se ha comprobado que el pH de la mezcla combinada de catalizador es crucial para impedir la aglomeración del catalizador. La aglomeración reduce la cantidad de partículas de catalizador que pueden ser transportadas a la zona de llama en una corriente de aire y puede originar que porciones de la mezcla combinada de catalizador abandonen la suspensión.
En pruebas realizadas en motores diesel que utilizan partículas de catalizador de realizaciones de la invención dentro de sus cámaras de combustión de motor, se ha comprobado que generan más potencia utilizando el mismo combustible, experimentan menos vibraciones y producen menores cantidades de emisiones contaminantes que los mismos motores diesel operados sin las partículas de catalizador. Muchas de las ventajas experimentadas por la añadidura de las partículas de catalizador continúan durante un período de tiempo incluso después de que las partículas de catalizador hayan dejado de ser transportadas a la zona de llama. Las realizaciones de la invención son aplicables a cualquier proceso de oxidación incluyendo, sin que ello suponga una limitación, procesos de oxidación en las áreas de calderas, hornos, motores de turbina, motores alternativos, incineradoras, aplicaciones de llama abierta y cualquier otro proceso donde se oxiden combustibles hidrocarbonados.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 representa un ejemplo de un aparato para transportar el catalizador objeto de la presente invención a una cámara de combustión, de acuerdo con realizaciones de la presente invención;
la figura 2 representa una realización de un sistema provisto de una cámara de catalizador para producir una corriente de gas que contiene partículas de catalizador, un transporte de catalizador y una zona de llama; y
en la figura 3 se puede apreciar un método para oxidar un combustible.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
La presente invención revela un método y una composición para catalizar la oxidación de un combustible combinando partículas de catalizador con un combustible en una zona de llama. El término "zona de llama", tal y como se utiliza en el presente documento, significa e incluye un área donde se realiza la oxidación de un combustible y el área situada inmediatamente alrededor de esta área. Por ejemplo, en el caso de un motor alternativo, y muchos otros procesos de combustión, la zona de llama es el área dentro de la cámara de combustión. En el caso de una incineradora, un horno o una caldera, donde una llama está ardiendo durante períodos prolongados y no a intervalos cortos, la zona de llama es el área dentro y directamente alrededor de la llama, cuyo entorno químico influye en el proceso de oxidación. Las partículas de catalizador pueden ser transportadas a la zona de llama mediante el borboteo (sparging) de una corriente de gas, como por ejemplo aire, a través de una mezcla combinada de catalizador de tal manera que las partículas de catalizador puedan ser transportadas en la corriente de gas a la zona de llama.
Las realizaciones de la invención pueden ser utilizadas en las zonas de llama de aplicaciones de oxidación a llama abierta o bien en las de oxidación a llama encerrada. Una oxidación a llama abierta es aquella en la que la expansión de gases se utiliza para calor, calentamiento, incineración y/o para ablandar, mezclar, quemar y/o fundir una sustancia. Los ejemplos de aplicaciones de oxidación a llama abierta pueden incluir, sin limitación, hornos e incineradoras. Una oxidación a llama encerrada es aquella en la que la expansión de gases se utiliza directamente para efectuar un trabajo, como puede ser el movimiento de un pistón en un motor. Los ejemplos de aplicaciones de oxidación de llama encerrada pueden incluir, sin limitación, turbinas y motores alternativos. La invención es útil en todos los procesos de oxidación.
De acuerdo con las realizaciones de la presente invención, la figura 1 representa una vista frontal en corte transversal de la cámara de catalizador 15 destinada a borbotear una mezcla combinada de catalizador 22. La cámara de catalizador incluye un tubo de borboteo acoplado de manera operativa a una entrada de aire 14 hacia el interior de la cámara de catalizador 15. Alternativamente, el tubo de borboteo podría ser un tubo flexible acoplado a la entrada de aire 14. El "burbujeo" o "borboteo" de un gas a través de una mezcla para el uso en un proceso de oxidación incluye hacer pasar una corriente de gas a través de una mezcla de tal modo que las partículas dispersadas en la mezcla pueden ser fluidizadas sin evaporación o mecánica/físicamente y transportadas a una zona de llama de oxidación por una corriente de gas. "Lecho fluidizado" es un término aplicado convencionalmente al hecho de hacer pasar un gas a través de un sólido en polvo de tal manera que el polvo originalmente estático va adquiriendo propiedades de fluido, como por ejemplo adquirir fluidez. En el contexto de la presente invención, el borboteo de un gas a través de la mezcla líquida combinada de catalizador 22 extrae, de manera no evaporativa o mecánica, de la mezcla líquida combinada de catalizador 22 partículas sólidas de catalizador normalmente involátiles, de tal manera que las partículas llegan a adquirir fluidez o a ser fluidizadas al ser colocadas dentro de la corriente de gas por encima de la mezcla líquida combinada de catalizador 22, al reventar las burbujas 24 en la superficie de la mezcla líquida combinada de catalizador 22. En
este estado fluidizado, las partículas de catalizador pueden ser transportadas a la zona de llama por la corriente de gas.
Durante el funcionamiento, el aire pasa a través del tubo de borboteo 12 al interior de la cámara de combustión 15 en dirección de la flecha 26, de lo cual resultan las burbujas 24 que pasan a través de la mezcla combinada de catalizador 22. Una salida 17 hacia la cámara de catalizador 15 establece de manera operativa el acoplamiento con los conductos de transferencia 23. Aunque se muestran dos conductos de transferencia 23 en la realización representada en la figura 1, pueden utilizarse solamente uno o más de dos. El gas de borboteo puede ser movido en dirección de la flecha 26 aplicando un vacío a una apertura 21 de un conducto de transferencia 23. Alternativamente, el gas de borboteo puede ser movido en dirección de la flecha 26 suministrando un gas de borboteo bajo una presión positiva a la entrada 11 del tubo de borboteo 12. Una tasa de burbujas basada en el recuento del número de burbujas por segundo liberadas desde el tubo de borboteo 12 puede ser controlada ajustando el vacío aplicado a la apertura 21 de los conductos de transferencia 23, o bien ajustando la presión suministrada en el tubo de borboteo 12, o bien incorporando una restricción o restrictor apropiados en el conducto de transferencia 23. En ciertas realizaciones de la presente invención, la tasa de burbujas puede ser de aproximadamente 2 a aproximadamente 15 burbujas por segundo. El gas de borboteo puede ser aire, nitrógeno, argón, helio y combinaciones de los mismos, aunque también pueden utilizarse otros gases.
Alternativamente, el gas de borboteo puede ser un gas ionizado positiva o negativamente y seleccionado, por ejemplo, de aire, nitrógeno, argón, helio y de combinaciones de los mismos. Un gas de borboteo ionizado puede ser formado exponiendo el gas de borboteo a iones provenientes de un ionizador, como por ejemplo el vendido por la empresa All Electronics Corp., Van Nuys CA 91408. El gas de borboteo ionizado puede hacerse pasar a través del tubo de borboteo 12 y de la mezcla combinada de catalizador 22 hacia los conductos de transferencia 23, tal como queda descrito más arriba. Aunque no intentamos atarnos a esta teoría, se cree que los iones cargados en el gas de borboteo pueden atraer iones cargados en la mezcla combinada de catalizador 22 debido a la atracción natural entre iones cargados positiva y negativamente. La atracción natural entre el gas de borboteo cargado y los iones cargados del catalizador puede aumentar la eficiencia de la separación de los iones de catalizador de la mezcla combinada de catalizador 22 por el gas de borboteo ionizado, en comparación con la separación de los iones de catalizador por el gas de borboteo eléctricamente neutro. Realizando el borboteo con un gas de borboteo ionizado, la eficiencia de la separación de los iones de catalizador de la mezcla combinada de catalizador 22 puede ser incrementada. La utilización de un gas de borboteo ionizado también pueden tener como resultado una reducción en la cantidad del catalizador utilizada por el proceso y requerida para obtener las ventajas de la invención. La utilización de un gas de borboteo ionizado puede tener como resultado un aumento de la cantidad de iones de catalizador transportada a una zona de llama de un proceso de oxidación en comparación con la cantidad de iones de catalizador separada de la mezcla combinada de catalizador 22 con un gas de borboteo eléctricamente neutro.
Para las realizaciones de la presente invención, la mezcla de catalizador utilizada en el proceso de borboteo incluye al menos un compuesto de catalizador que contiene al menos un elemento del grupo III, es decir Al en una matriz tal como el agua. El agua es preferentemente pura con tan pocos contaminantes como sea posible. Puede utilizarse agua destilada. Un compuesto de catalizador de aluminio que se utiliza es AlCl_{3}.
La concentración de platino, como H_{2}PtCl_{6}.6H_{2}O en la mezcla de catalizador, puede ser de al menos 0,6 mg/ml aproximadamente, una concentración de rodio, como RhCl_{3} en la mezcla de catalizador, es de al menos 0,07 mg/ml, una concentración de renio, como HReO_{4} (ácido perrénico) en la mezcla de catalizador, es de al menos 0,1 mg/ml, una concentración de aluminio, como AlCl_{3} en la mezcla de catalizador, es de al menos 0,07 mg/ml.
En realizaciones que incluyen hierro, el compuesto de hierro puede ser ferroceno.
Las proporciones específicas de cada uno de los varios componentes del catalizador están relacionadas con lo bien que las partículas de catalizador funcionen para obtener las varias ventajas de la invención. En una realización específica de la invención, la relación de platino a rodio es de 8,6 a 1 aproximadamente, la relación de platino a renio es de 6 a 1 aproximadamente y la relación de platino a aluminio es de 8,6 a 1 aproximadamente. No obstante, se cree que las relaciones de cada uno de los otros componentes de catalizador a platino puede ser mucho más alta y baja que la utilizada en esta realización específica. Por ejemplo, se cree que las relaciones de platino a renio y platino a aluminio pueden variar, cada una individualmentro, dentro del rango comprendido entre 30 a 1 y 1 a 1, y más específicamente entre 15 a 1 y 2 a 1, y que las relaciones de platino a rodio pueden variar dentro del rango comprendido entre 30 a 1 y 4 a 1, y más específicamente entre 15 a 1 y 4 a 1. Los rangos máximos y mínimos efectivamente realizables no han sido investigados plenamente.
Se ha teorizado que el aluminio descrito como parte de un compuesto dentro de la mezcla de catalizador arriba indicada puede actuar como sorbente para la mezcla de catalizador. Un sorbente apropiado en la mezcla de catalizador puede originar que un componente de catalizador sea adsorbido o absorbido al sorbente. Ello puede ayudar a transferir el catalizador a la corriente de gas de borboteo por impedir que el catalizador se una a otros elementos. Este hecho puede ayudar también a reducir la aglomeración de componentes del catalizador. Tanto la reducción de la aglomeración como el impedir que los componentes del catalizador se unan entre sí es deseable, puesto que más partículas de catalizador alcanzarían la zona de llama, aumentando de este modo la efectividad del catalizador. Alternativamente, o adicionalmente, se ha teorizado que el elemento del grupo III, a saber aluminio, actúa como acelerante dentro de la zona de llama permitiendo que el combustible se oxide a una temperatura más baja y durante un tiempo más prolongado. Como parte de esta segunda teoría, se cree que el colocar un elemento del grupo III dentro de la zona de llama, particularmente aluminio, crea un entorno de mayor conductividad eléctrica dentro de la zona de llama, permitiendo que la oxidación pueda ocurrir con mayor rapidez. Con una oxidación más rápida del combustible, se quema una mayor parte del combustible, de lo cual resultan emisiones más bajas, una potencia de salida mayor y una temperatura de combustión más baja. Si sirve a esta función, el elemento del grupo III actuaría como acelerante para el proceso de oxidación. Independientemente de si el elemento del grupo III, y particularmente el aluminio, añadido a la mezcla de catalizador funciona como sorbente, acelerante, o sirve a cualquier otra función, queda claro debido a los resultados obtenidos de ensayos que la inclusión del elemento del grupo III en la mezcla de catalizador proporciona una ventaja significativa al proceso de oxidación.
Opcionalmente, las realizaciones de la mezcla de catalizador, como por ejemplo la mezcla combinada de catalizador 22 representada en la cámara de catalizador 15 de la figura 1, pueden incluir otros componentes tales como uno o varios sorbentes, uno o varios agentes anticongelantes, uno o varios ajustadores/amortiguadores de pH y uno o varios surfactantes según será descrito con más detalle abajo.
Los ejemplos de compuestos de sorbentes que pueden ser añadidos a la mezcla de catalizador en las realizaciones de la presente invención incluyen compuestos de sorbentes que contienen un elemento del grupo de los lantánidos como, por ejemplo, cerio (Ce). El sorbente lantánido puede ser añadido a la mezcla de catalizador como un material precursor como, a título de ejemplo y sin que ello suponga alguna limitación, CeCl_{3} ó Ce(NO_{3})_{3}, que forma partículas de sorbente cuando el material precursor de sorbente reacciona con agua en la mezcla de catalizador. Los materiales precursores de sorbente, tales como CeCl_{3} ó Ce(NO_{3})_{3}, son particularmente útiles, ya que tienden a formar materiales sorbentes finamente divididos y fácilmente dispersables en la mezcla de catalizador. Los materiales sorbentes pueden, por ejemplo, incluir la alúmina (Al_{2}O_{3}), que es formada cuando AlCl_{3} ó Al(NO_{3})_{3} reacciona con agua. Los materiales sorbentes pueden incluir también óxido de cerio (CeO_{2} ó Ce_{2}O_{3}) que es formado cuando CeCl_{3} ó Ce(NO_{3})_{3} reacciona con agua. Cuando la mezcla combinada de catalizador contiene un material sorbente, el compuesto de catalizador puede ser adsorbido o absorbido sobre el material sorbente según se ha descrito arriba. En una realización particular de la invención, el sorbente puede comprender tanto alúmina como óxido de cerio.
Los ejemplos de agentes anticongelantes que pueden ser añadidos a la mezcla combinada de catalizador en las realizaciones de la invención pueden incluir agentes anticongelantes que contienen un alcohol, como por ejemplo etilenglicol, propilenglicol, metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, alcohol isopropílico, alcohol isobutílico y combinaciones de los mismos.
Los ejemplos de surfactantes que pueden ser añadidos a la mezcla combinada de catalizador en las realizaciones de la invención pueden incluir etilenglicol, otros glicoles, aceite de silicona, detergentes y combinaciones de los mismos. Los surfactantes reducen la formación de espuma en la mezcla combinada de catalizador en la cámara de catalizador, que se origina cuando las burbujas atraviesan la superficie de la mezcla combinada de catalizador. Ello permite que las partículas de catalizador puedan ser transferidas más fácilmente a la atmósfera presente por encima de la superficie de la mezcla combinada de catalizador y transportadas al exterior por la corriente de gas.
El pH de la composición de mezcla combinada de catalizador de las realizaciones de la invención, incluyendo los compuestos de catalizador, cualquier sorbente, agente anticongelante y/o surfactante, debería ser de tal manera que la aglomeración de partículas quede sustancialmente evitada. Las partículas aglomeradas no son deseadas, puesto que es más difícil hacer salir las partículas aglomeradas de la mezcla catalítica combinada mediante la corriente de aire, por lo menos parcialmente, porque son más pesadas que partículas no aglomeradas. Se ha comprobado que, para las composiciones de las mezclas combinadas de catalizador de las realizaciones de la invención, un pH inferior a 4,0 aproximadamente es deseable por su eficacia al impedir la formación de partículas aglomeradas. Se ha comprobado que por encima de un pH de 4,0 aproximadamente, los componentes de catalizador se aglomeran dentro de la cámara de catalizador. En una realización específica de la invención, se utiliza un pH que está en el rango comprendido entre aproximadamente 1,4 y aproximadamente 3,0. En una realización más específica de la invención, se utiliza un pH de entre 1,6 aproximadamente y 2,2 aproximadamente. El pH de la mezcla combinada de catalizador puede ser ajustada mediante la añadidura de cantidades apropiadas de un ácido y/o una base. El pH de la mezcla combinada de catalizador puede ser ajustada también mediante la utilización de un amortiguador apropiado tal como tris (hidroximetil) aminometano y amortiguadores de ácido cítrico monohidrato. Ejemplos de otros compuestos cuya utilidad para impedir la aglomeración está comprobada son el cloruro de litio (LiCL), el cloruro de sodio (NaCl), y HCl.
La figura 2 describe un sistema de aportación de catalizador 40 para transportar partículas de catalizador a una zona de llama 19 de un proceso de oxidación. La zona de llama 19 puede ser una zona de llama encerrada o una zona de llama abierta. Las partículas de catalizador separadas mediante borboteo (sparging) de la mezcla combinada de catalizador dentro de la cámara de catalizador 15 son transportadas a la zona de llama 19 mediante un transporte de catalizador 21. El transporte de catalizador 21 puede ser tan simple como un tubo acoplado a una toma de aire hacia la zona de llama 19, o puede incluir uno o varios de los siguientes elementos para dirigir, regular, monitorear y controlar el flujo de las partículas de catalizador hacia la zona de llama 19: bombas, inyectores, restrictores, controladores de orificios, reguladores y otros componentes.
Las partículas de catalizador son transportadas de la cámara de catalizador 15 a la zona de llama 19 mediante la corriente de gas de borboteo a través del conducto de transporte 27. Alternativamente, la mezcla combinada de catalizador o partículas de catalizador pueden ser inyectadas directamente en el conducto 27 y arrastradas por el gas de borboteo a la zona de llama 19. Alternativamente, un(os) conducto(s) de alimentación 27 de aire de combustión y/o de gas inerte pueden fijarse de manera operativa al conducto de transferencia 23 para arrastrar al interior de la zona de llama 19 el gas de borboteo o una mezcla combinada de catalizador directamente inyectada. El aire de combustión puede ser suministrado, por ejemplo, mediante una introducción forzada de aire.
En una realización particular destinada a la utilización de la invención en un proceso de oxidación para una aplicación de llama abierta para un horno, en el cual una llama es colocada debajo de un cambiador de calor para transferir calor desde la llama hasta un dispositivo de acumulación de calor como por ejemplo una caldera, las partículas de catalizador son suministradas a la zona de llama 19 y son mezcladas con el aire de combustión para influir en el entorno químico de la zona de llama para la oxidación de combustible. En otra realización particular destinada a la utilización de la invención en un proceso de oxidación para una aplicación de llama abierta para una incineradora, en la cual se queman desechos oxidables, las partículas de catalizador son suministradas a la zona de llama 19 de la incineradora para influir en el entorno químico dentro de la zona de llama.
Explicaciones similares pueden utilizarse para aquellas realizaciones de la invención que involucran zonas de llama 19, por ejemplo y sin que ello suponga limitación alguna, de un motor de combustión interna como, por ejemplo, un motor rotativo, un motor de gasolina, un motor diesel, un motor de turbina, motores de gas natural y otros motores de combustible alternativo, u otras aplicaciones tales como un horno, una incineradora, calderas y otras aplicaciones de llama abierta que utilicen cualquier tipo de combustible. Se ha determinado que la separación mediante borboteo las partículas de catalizador de la mezcla combinada de catalizador de realizaciones de la presente invención al interior de una zona de llama 19 o la inyección directa de la mezcla combinada de catalizador al interior de la zona de llama 19 reduce la contaminación del aire típicamente asociada con los procesos de oxidación en forma de monóxido de carbono reducido, reducción de partículas de carbono, y NO_{X}, donde x equivale a 1 ó 2. También se cree que la invención reduce las emisiones de óxidos de azufre, tales como SO_{X}, donde x equivale a 2 ó 3 Se pueden añadir catalizadores adicionales, tales como el ferroceno, sabiéndose que reducen específicamente las emisiones de SO_{X}. Como ejemplos no limitadores del combustible con el cual las mezclas combinadas de catalizador de las realizaciones de la invención pueden utilizarse son el fuel-oil número 2, fuel-oils refinados a partir de petróleo crudo, combustible diesel, gasolina, gas natural comprimido o licuado, gasohol, cualquier hidrocarburo que tenga uno o varios átomos de carbono como, por ejemplo, metano, etano, propano, butano, isobutano, tolueno, xileno, octano, benceno, mezclas de alcoholes que tengan metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol, isobutanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, aceite vegetal como, por ejemplo, aceite de maíz, aceite mineral, carbón, gas de hulla, vapor de asfalto, vapores oxidables de procesos químicos, madera, papel y combinaciones de los mismos.
La figura 3 describe un método 30 para oxidar un combustible. El combustible es oxidado suministrando un combustible a oxidar, y una mezcla combinada de catalizador según la invención (paso 32), mezclando partículas de catalizador con aire de combustión (paso 34), mezclando el aire cargado de catalizador con el combustible (paso 36) y oxidando el combustible (paso 38). De acuerdo con lo discutido anteriormente, el catalizador puede ser transportado de la mezcla combinada de catalizador a la zona de llama (paso 34) por una corriente de gas de borboteo dirigido hacia una toma de aire hacia la zona de llama, puede ser inyectado directamente en la toma de aire de combustión hacia la zona de llama, o puede ser inyectado directamente en la zona de llama. El combustible puede ser transportado a la zona de llama por cualquier método conocido y utilizado en la técnica incluyendo, sin que ello suponga una limitación alguna, la inyección directa. Alternativamente, las diferentes partículas de catalizador pueden ser incorporadas en el aire de combustión separadamente mediante procesos de borboteo separados o inyección.
Los catalizadores para la mezcla con un combustible en un tanque de combustible, a los cuales se les denomina también aditivos de combustible, presentan una tendencia a sedimentarse del combustible con el tiempo y acumularse en el fondo del tanque de combustible. Adicionalmente, cuando los catalizadores son mezclados con el combustible antes de ser mezclados con el aire de combustión, las partículas de catalizador se fijan al combustible. En caso de combustibles líquidos, aún después de que el combustible es vaporizado (o "atomizado", como también se le denomina convencionalmente a este fenómeno), el combustible impide que la mayoría, si no todas, de las partículas de catalizador catalicen el aire de combustión, si el combustible líquido y el catalizador son premezclados. Las mezclas combinadas de catalizador de la presente invención no se les debe confundir con aditivos de combustible. Mezclando las partículas de catalizador fluidizadas con el aire de combustión antes de que el combustible sea añadido, las partículas de catalizador son capaces de catalizar el aire de combustión para el proceso de oxidación. Catalizando el aire de combustión antes de mezclarlo con combustible, los catalizadores son excitados y por ello más activos que cuando son premezclados con combustible líquido. Por consiguiente, los catalizadores aceleran aún más la separación de oxígeno en el aire de combustión. El aire de combustión cargado de catalizador, existente dentro del entorno de la zona de llama, es, por ello, catalizado antes de la combustión, lo que mejora la oxidación del combustible más plenamente que cuando el catalizador solamente es mezclado con el combustible en forma líquida. Cuando, a continuación, las partículas de catalizador se mezclan con el combustible para la oxidación, también catalizan el combustible. El catalizador mezclado directamente con el combustible líquido tiene, en el mejor de los casos, muy poca oportunidad para catalizar el entorno de la zona de llama antes de la oxidación del combustible.
Según se ha explicado anteriormente, se cree que el mezclar un elemento del grupo III, particularmente el aluminio, con el aire de combustión antes de mezclar el aire de combustión con el combustible crea un entorno con mayor conductividad para la oxidación. Se cree además que el tener un entorno con mayor conductividad durante la oxidación hace que la oxidación del combustible pueda ocurrir más rápidamente, puesto que los electrones asociados al proceso de oxidación pueden desplazarse más rápidamente. Sin embargo, el tiempo efectivo de combustión puede ser aumentado debido a que el combustible se oxida más completamente. En muchos procesos de oxidación, tales como, por ejemplo, un motor alternativo diesel, cierta parte del combustible no es oxidada por completo en la cámara de combustión. De ello resultan una mayor cantidad de emisiones contaminantes del motor diesel. Acelerando el proceso de oxida-
ción o extendiendo su duración, se quema una mayor parte del combustible y se reducen las emisiones contaminantes.
Ejemplo 1
Haciendo referencia a la figura 3, un combustible de gasolina puede ser oxidado de acuerdo con el método y la composición revelados en la presente memoria. El presente ejemplo se refiere a un motor de combustible de gasolina que tiene una tasa de consumo de combustible de 5 galones por hora, siendo operado durante por lo menos 400 horas, consumiendo de este modo aproximadamente dos mil (2.000) galones (6056 kilogramos) de combustible. Un auto típico consume aproximadamente 5 galones/hora. El motor está provisto de un sistema de aportación de catalizador según lo representado en la figura 1. La mezcla de catalizador específica para una tasa de combustible de 5 galones/hora para este ejemplo es como queda descrito a continuación:
A un (1) litro de agua se añadió:
2,4 g (2,4 miligramos/mililitro, mg/ml) H_{2}PtCl_{6}.6H_{2}O (ácido cloroplatínico)
0,4 g (0,4 mg/ml) HReO_{4} (ácido perrénico)
0,28 g (0,28 mg/ml) RhCl_{3}
0,28 g (0,28 mg/ml) AlCl_{3}
La cámara de catalizador 15 del sistema de aportación es cargada con treinta y seis (36) ml de esta mezcla de catalizador y con una cantidad suficiente de un líquido base que comprende partes iguales de etilenglicol y agua así como 5400 partes por millón (ppm) en peso de LiCl (denominados colectivamente "mezcla combinada de catalizador"), para un total de 650 ml de mezcla combinada de catalizador en la cámara de catalizador. El pH de la mezcla combinada de catalizador fue ajustado a un rango entre 1,6 y 2,4 añadiendo gota a gota una solución diluida de ácido clorhídrico en agua.
A una tasa de consumo de combustible de aproximadamente 5 galones/hora, 36 ml de mezcla de catalizador en 650 ml de mezcla combinada de catalizador pueden ser borboteados durante un período de al menos 400 horas a una tasa de burbujas de entre aproximadamente 4 a 6 burbujas por segundo y ser todavía efectivos. El aire borboteado del presente ejemplo, que contiene partículas de catalizador, es desplazado a la toma de aire de la cámara de combustión del motor de gasolina.
La concentración de la mezcla de catalizador en la mezcla combinada de catalizador puede ser ajustada para motores que presentan mayores tasas de consumo de combustible de tal manera que la mezcla combinada de catalizador de 650 ml incluya aproximadamente 36 ml de mezcla de catalizador para cada 5 galones/hora de consumo de combustible. Por consiguiente, la mezcla de catalizador puede ser producida, vendida y distribuida de forma separada del líquido base, y añadida al líquido base presente en la cámara de catalizador según las necesidades por un consumidor final como por ejemplo un propietario de un auto. Los resultados de ensayos realizados indican que cuando hay más de aproximadamente 160 ml de mezcla de catalizador en la mezcla combinada de catalizador de 650 ml, las ventajas obtenidas con la añadidura de más catalizador quedan reducidas. En el caso de motores que consumen más de aproximadamente 22,5 galones/hora de combustible, puede ser que sea necesario más de un distribuidor de catalizador líquido para obtener una efectividad completa. Los resultados de los ensayos realizados indican asimismo que el añadir más aluminio a la mezcla de catalizador, e incluso el duplicarlo hasta 0,56 mg/ml, proporciona mejores resultados de rendimiento que con menores cantidades de aluminio. No obstante, incluso los motores operados con una mezcla de catalizador con cantidades relativamente pequeñas de aluminio presentaron un mejor rendimiento que sin
aluminio.
Se ha comprobado que los motores operados con una mezcla combinada de catalizador de acuerdo con lo descrito anteriormente experimentaron una reducción de más del 50% con respecto a las emisiones de NO_{X}, hidrocarburos y monóxido de carbono. Aunque no se ha ensayado directamente, se cree también que las emisiones de SO_{X} fueron reducidas debido al aumento de la eficiencia.
El cambiar la química del entorno de la zona de llama mediante la utilización de mezclas combinadas de catalizador de acuerdo con la invención puede influir en la química de las interacciones y oxidaciones de los varios elementos de combustible y catalizador, y puede incluso modificar la temperatura de oxidación del combustible. Ensayos realizados por otros investigadores han indicado que el recubrimiento de una cámara de combustión con platino redujo las emisiones contaminantes y redujo las temperaturas ciclónicas de los gases de combustión desde aproximadamente 330ºC hasta aproximadamente 220ºC. Se cree que la reducción de las temperaturas ciclónicas extiende aún más el tiempo de combustión del proceso de combustión.
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Ejemplo 2
Los siguientes ensayos específicos se realizaron con un solo motor Catepillar modelo N.º 3408 serie diesel utilizando una mezcla combinada de catalizador que comprendía 144 ml de una mezcla de agua, 2,4 mg/ml H_{2}PtCl_{6}.6H_{2}O, 0,4 mg/ml HReO_{4}, 0,28 mg/ml RhCl_{3}, y 0,28 mg/ml AlCl_{3}, y un líquido que comprendía partes iguales de etilenglicol y agua y 5400 ppm en peso de LiCl, siendo por ello la cantidad total de la mezcla combinada de catalizador de 650 ml en la cámara de catalizador. Utilizando el mismo proceso de borboteo descrito en el Ejemplo 1, las partículas de catalizador fueron transportadas a la cámara de combustión. En tanto no se indique lo contrario, el motor se estuvo operando con una carga del 85%. Según la descripción proporcionada en el ejemplo 1, 114 ml de mezcla de catalizador es suficiente para un consumo de combustible de aproximadamente 20 galones/hora. Bajo una carga de 85%, el motor Catepillar consume por lo general 23 galones/hora aproximadamente. Por ello, la mezcla de catalizador utilizada para estos ensayos era magra. Los ensayos discutidos son ensayos industriales estandarizados, realizados con equipos calibrados apropiados, y resultarán evidentes para los expertos con conocimientos ordinarios en la materia.
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Caballaje
Utilizando un dinamómetro hidráulico de motores, los caballos de fuerza (Hp) del motor fueron medidos sin añadir el catalizador a la cámara de combustión, comprobándose un valor de aproximadamente 447 Hp. Cuando el catalizador fue transportado mediante borboteo desde la mezcla combinada de catalizador hasta la cámara de combustión, se comprobó que el caballaje de motor era de 520 Hp. Ello refleja un aumento del caballaje (Hp) en un 16,3% debido a la utilización de una mezcla combinada de catalizador objeto de la presente invención, comparado con la operación del mismo motor bajo las mismas condiciones sin la añadidura de catalizador al interior de la cámara de combustión del motor.
Emisiones contaminantes
Utilizando varios detectores estándar para detectar emisiones contaminantes, se comprobó que una reducción del 79% en la opacidad, una reducción del 60% en monóxido de carbono así como una reducción del 66% en hidrocarburos en el gas de escape del motor resultó cuando se hizo pasar mediante borboteo un catalizador desde la mezcla combinada de catalizador al interior de la cámara de combustión del motor, en comparación con el mismo motor operado bajo las mismas condiciones sin la añadidura de catalizador al interior de la cámara de combustión del motor.
Se cree que de la utilización de una mezcla borboteada de catalizador resulta que las partículas de catalizador sean atraídas a las superficies metálicas del motor y del escape, lo que origina que un fino revestimiento transitorio de catalizador sea formado, por ejemplo, en las paredes interiores de la cámara de combustión. Ello puede contribuir a prolongar los beneficios del catalizador más allá del tiempo en el que el catalizador está siendo suministrado activamente. Por ello se cree que el suministro del catalizador podría ser activado y desactivado periódicamente durante la operación del motor con beneficios similares, utilizando cantidades menores de la mezcla combinada de
catalizador.
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Vibraciones torsionales
Un captador electrónico inductivo (sensor tacométrico) de un Analizador de Máquinas CSI 2120A fue utilizado para medir las vibraciones torsionales.
La tabla 1 recoge las vibraciones torsionales del motor sin hacer pasar el catalizador, mediante borboteo, desde la mezcla combinada de catalizador al motor, y las vibraciones torsionales del motor haciendo pasar el catalizador, mediante borboteo, desde la mezcla combinada de catalizador al motor. En la tabla 1, "Total (G-DG)" la diferencia entre las mediciones es en grados, "RMS" es la media cuadrática (Root Mean Square) del grado medio relativo de cambio con respecto a todas las mediciones, "Carga" indica que los motores estuvieron funcionando con una carga de 100%, "RPM" significa revoluciones por minuto, y "RPS" es revoluciones por segundo. Según demuestra la tabla 1, bajo las mismas condiciones, excepto con la utilización de la mezcla combinada de catalizador de la presente invención dentro de la cámara de combustión, el Total (G-DG) y RMS disminuyeron, y las RPS aumentaron en una rotación completa.
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TABLA 1 Resumen de las vibraciones torsionales - estado estático
1 
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La tabla 2 recoge el cambio en las vibraciones torsionales del motor para las armónicas de las vibraciones del motor con la añadidura de partículas de catalizador al flujo de toma de aire de combustión.
TABLA 2 Resumen de las armónicas de las vibraciones torsionales
2
Con menos vibraciones y un motor más rápido, un mayor porcentaje de la energía resultante de la oxidación del combustible es devuelto al motor en forma de potencia y no como vibraciones. Reducciones en la torsión o un par dinámico del motor significa que el motor está funcionando de manera más suave y que hay menos carga sobre los cojinetes de biela y los cojinetes principales, de lo que resulta una mayor longevidad del motor.
Energía ultrasónica
La energía ultrasónica del motor fue medida utilizando un acelerómetro específico de un Analizador de Máquinas CSI 2120A.
La tabla 3 refleja la energía ultrasónica del motor sin hacer pasar el catalizador, mediante borboteo, desde la mezcla combinada de catalizador al motor, y la energía ultrasónica del motor al hacer pasar el catalizador, mediante borboteo, desde la mezcla combinada de catalizador al motor. En la tabla 3, "RMS" es la media cuadrática (Root Mean Square) de la forma de onda ultrasónica, "Carga" indica que los motores estuvieron funcionando con una carga de 100%, "RPM" significa revoluciones por minuto, "RPS" es revoluciones por segundo, PK(+) y PK(-) representan, respectivamente, los picos positivos y negativos de las vibraciones en unidades estándar, and "CrestF" es la relación entre el valor medio y el valor pico.
TABLA 3 Resumen de la energía ultrasónica
3
La energía ultrasónica de un motor alternativo es un indicador de la potencia y suavidad del motor. Cuando la energía ultrasónica aumenta, esto es un indicio de que la combustión del combustible es más potente y más uniforme. Más potente puede significar que el impulso de potencia es más fuerte o más prolongado. De acuerdo con ello, los ensayos indican un aumento en aproximadamente 3,3 dB o 8,13% de la energía ultrasónica (cuando se calcula el promedio de los cilindros 1, 3, 5 y 7) del motor mediante el uso de catalizador dentro del aire de combustión en comparación con la operación sin el uso de catalizador en el aire de combustión.

Claims (31)

1. Método para oxidar un combustible, que comprende
proporcionar una mezcla de catalizador dentro de agua, incluyendo dicha mezcla de catalizador al menos una concentración de al menos
0,07 mg/ml de Al como AlCl_{3}, una concentración de al menos
0,1 mg/ml de Re como HReO_{4}, una concentración de al menos
0,07 mg/ml de Rh como RhCl_{3} y una concentración de al menos
0,28 mg/ml de Pt como H_{2}PtCl_{6}\cdot6H_{2}O;
añadir un líquido a dicha mezcla de catalizador, comprendiendo el líquido etilenglicol, agua y cloruro de litio, para producir una mezcla combinada de catalizador;
ajustar dicha mezcla combinada de catalizador a un pH inferior a 4,0;
mezclar una parte de dicha mezcla combinada de catalizador con aire de combustión antes de mezclar dicha mezcla combinada de catalizador con un combustible que ha de ser oxidado; y oxidar el combustible.
2. Método según la reivindicación 1, que comprende además hacer pasar mediante borboteo (sparging) un gas a través de la mezcla combinada de catalizador para generar partículas de catalizador fluidizadas para mezclarlas con el aire de combustión.
3. Método según la reivindicación 2, que comprende además transportar las partículas de catalizador a una zona de llama bajo una presión negativa.
4. Método según la reivindicación 2, que comprende además establecer dicha mezcla combinada de catalizador provista de un pH de entre 1,4 y 3,0 antes de hacer pasar mediante borboteo el gas a través de la mezcla combinada de catalizador.
5. Método según la reivindicación 2, que comprende además ionizar el gas de borboteo antes de hacerlo pasar mediante borboteo a través de la mezcla combinada de catalizador.
6. Método según la reivindicación 2, en el que el gas de borboteo está seleccionado de un grupo compuesto por aire, helio, nitrógeno, argón y combinaciones de los mismos.
7. Método según la reivindicación 1, en el que dicha mezcla de catalizador comprende además hierro, preferentemente como ferroceno, o cerio, preferentemente como CeCl_{3}.
8. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar el combustible en una llama abierta o en una llama encerrada.
9. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar gasolina o combustible diesel.
10. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar un combustible seleccionado de un grupo compuesto por fuel-oil número 2, fuel-oil refinado a partir de petróleo crudo, combustible diesel, gasolina, gas natural comprimido o licuado, gasohol, cualquier hidrocarburo que tenga uno o varios átomos de carbono como, por ejemplo, metano, etano, propano, butano, isobutano, tolueno, xileno, octano, benceno, mezclas de alcoholes que tengan metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol, isobutanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol y combinaciones de los mismos, aceite vegetal como, por ejemplo, aceite de maíz, aceite mineral, carbón, gas de hulla, vapor de asfalto, vapores oxidables de procesos químicos, madera, papel y combinaciones de los mismos.
11. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar dentro de una cámara de combustión de un motor alternativo seleccionado de un grupo compuesto por un motor de combustible gasolina y un motor de combustible diesel.
12. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar el combustible dentro de una cámara de combustión de un motor alternativo, en el que el combustible es seleccionado de un grupo compuesto por fuel-oil número 2, fuel-oil refinado a partir de petróleo crudo, combustible diesel, gasolina, gas natural comprimido o licuado, gasohol, cualquier hidrocarburo que tenga uno o varios átomos de carbono como, por ejemplo, metano, etano, propano, butano, isobutano, tolueno, xileno, octano, benceno, mezclas de alcoholes que tengan metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol, isobutanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol y combinaciones de los mismos, aceite vegetal como, por ejemplo, aceite de maíz, aceite mineral, carbón, gas de hulla, vapor de asfalto, vapores oxidables de procesos químicos, madera, papel y combinaciones de los mismos.
13. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende oxidar dentro de una zona de llama de un aparato seleccionado de un grupo compuesto por un horno, una caldera y una incineradora.
14. Método según la reivindicación 1, en el que oxidar el combustible comprende además oxidar dentro de un aparato seleccionado de un grupo compuesto por una incineradora, un quemador de gas de ventilación, un horno, una turbina de vapor y combinaciones de los mismos.
15. Método según la reivindicación 1, en el que un surfactante es además añadido al líquido o a la mezcla combinada de catalizador.
16. Método según la reivindicación 1, en el que mezclar una parte de la mezcla combinada de catalizador con el aire de combustión comprende transportar la mezcla combinada de catalizador a una toma de aire de combustión hacia una zona de llama y mezclar la mezcla combinada de catalizador con el aire de combustión dentro de dicha toma de aire.
17. Método según la reivindicación 1, en el que mezclar una parte de la mezcla combinada de catalizador con el aire de combustión comprende inyectar directamente la mezcla combinada de catalizador dentro de una zona de llama y mezclar la mezcla combinada de catalizador con el aire de combustión dentro de dicha zona de llama.
18. Mezcla combinada de catalizador para la oxidación de un combustible, comprendiendo la mezcla combinada de catalizador: una mezcla de catalizador que comprende una concentración de al menos 0,07 mg/ml de Al como AlCl_{3}, una concentración de al menos 0,1 mg/ml de Re como HReO_{4}, una concentración de al menos 0,07mg/ml de Rh como RhCl_{3} y una concentración de al menos 0,28 mg/ml de Pt como H_{2}PtCl_{6}\cdot6H_{2}O dentro de agua;
un líquido que comprende LiCl y partes esencialmente iguales de etilenglicol y agua;
y ácido acuoso, teniendo dicha mezcla combinada de catalizador un pH inferior a 4,0.
19. Mezcla combinada de catalizador según la reivindicación 18, en la que el ácido acuoso es ácido clorhídrico acuoso.
20. Mezcla combinada de catalizador según la reivindicación 18, en la que la mezcla combinada de catalizador tiene un pH de entre 1,4 y 3,0.
21. Mezcla combinada de catalizador según la reivindicación 20, en la que la mezcla combinada de catalizador tiene un pH de entre 1,6 y 2,2.
22. Mezcla combinada de catalizador según la reivindicación 21, que comprende además uno o varios de NaCl y HCl.
23. Mezcla combinada de catalizador según la reivindicación 18, en la que la mezcla combinada de catalizador comprende además un surfactante seleccionado de un grupo compuesto por etilenglicol, propilenglicol, metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, alcohol isopropílico, alcohol isobutílico, aceite de silicona y combinaciones de los mismos.
24. Utilización de una mezcla combinada de catalizador de acuerdo con una de las reivindicaciones 18 a 23 para la oxidación de un combustible dentro de un sistema de oxidación de combustible, que comprende:
una zona de llama (19) para oxidar un combustible, una cámara de catalizador (15), que tiene es su interior una mezcla (22) de la mezcla de catalizador y un transporte de catalizador (21) configurado para transportar la mezcla combinada de catalizador desde la cámara de catalizador (15) hasta la zona de llama (19).
25. Utilización según la reivindicación 24, en la que la zona de llama (19) es la de una llama abierta.
26. Utilización según la reivindicación 24, en la que la zona de llama (19) es la de una llama encerrada.
27. Utilización según la reivindicación 24, en la que el sistema de oxidación de combustible está configurado para oxidar un combustible seleccionado de un grupo compuesto por gasolina y combustible diesel.
28. Utilización según la reivindicación 24, en la que el sistema de oxidación de combustible está configurado para oxidar un combustible seleccionado de un grupo compuesto por fuel-oil número 2, fuel-oil refinado a partir de petróleo crudo, combustible diesel, gasolina, gas natural comprimido o licuado, gasohol, cualquier hidrocarburo que tenga uno o varios átomos de carbono como, por ejemplo, metano, etano, propano, butano, isobutano, tolueno, xileno, octano, benceno, mezclas de alcoholes que tengan metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol, isobutanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol y combinaciones de los mismos, aceite vegetal como, por ejemplo, aceite de maíz, aceite mineral, carbón, gas de hulla, vapor de asfalto, vapores oxidables de procesos químicos, madera, papel y combinaciones de los mismos.
29. Utilización según la reivindicación 24, en la que la zona de llama (19) es una cámara de combustión de un motor alternativo seleccionado de un grupo compuesto por un motor de combustible gasolina y un motor de combustible diesel.
30. Utilización según la reivindicación 24, en la que la zona de llama (19) es una cámara de combustión de un motor alternativo, configurada para oxidar un combustible seleccionado de un grupo compuesto por fuel-oil número 2, fuel-oil refinado a partir de petróleo crudo, combustible diesel, gasolina, gas natural comprimido o licuado, gasohol, cualquier hidrocarburo que tenga uno o varios átomos de carbono como, por ejemplo, metano, etano, propano, butano, isobutano, tolueno, xileno, octano, benceno, mezclas de alcoholes que tengan metanol, etanol, propanol, butanol, isopropanol, isobutanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol y combinaciones de los mismos, aceite vegetal como, por ejemplo, aceite de maíz, aceite mineral, carbón, gas de hulla, vapor de asfalto, vapores oxidables de procesos químicos, madera, papel y combinaciones de los mismos.
31. Utilización según la reivindicación 24, en la que oxidar el combustible comprende oxidar dentro de la zona de llama (19) de un aparato seleccionado de un grupo compuesto por un un horno, una caldera y una incineradora.
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