ITRM20110317A1 - Processo metodo e formulazioni per la produzione di un biocarburante a base di olii di natura vegetale anche esausti rigenerati e/o geneticamente modificati alghe e microalghe e/o olii da esse derivati addizionati ad alcoli primari e/o secondari e/o - Google Patents
Processo metodo e formulazioni per la produzione di un biocarburante a base di olii di natura vegetale anche esausti rigenerati e/o geneticamente modificati alghe e microalghe e/o olii da esse derivati addizionati ad alcoli primari e/o secondari e/o Download PDFInfo
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Description
Descrizione
Lo stato attuale della tecnica prevede alcuni tipi di biocombustibili ottenuti attraverso processi e reazioni chimiche. Ad esempio il processo di produzione di biodiesel tradizionale avviene tramite una reazione chimica di transesterificazione del grasso o dell’olio vegetale che reagisce con l'agente esterificante, solitamente un alcool, metanolo o etanolo in presenza o meno di un catalizzatore con l’impiego di energia e solitamente a pressione atmosferica. Il tempo di reazione varia in finizione della temperatura. Il biodiesel così generato puòjessere usato puro al 100% (B100) con notevoli inconvenienti su motori e/o bruciatori tradizionali o miscelato con gasolio (B5, B10, etc).<'>
Altro inconveniente dei biodiesel tradizionali è dato dal fatto che l'elevato potere solvente del metilestere<->causa danni ai materiali plastici non compatibili (prevalentemente guarnizioni) e può creare problemi con gli eventuali depositi di gasolio lasciati nei serbatoi. E' quindi richiesta la sostituzione o comunque il controllo periodico dei componenti polimerici che costituiscono i tubi di aspirazione e di ritorno, il premistóppa della pompa, i flessibili e le guarnizioni ed è vivamente consigliata la pulitura dei serbatoi e delle caldaie da residui di combustibile fossile.
Il biodiesel tradizionale miscelato all’olio lubrificante può creare una serie di problemi in quanto aumenta il numero di iodio della miscela. Se il numero di iodio dell’olio supera il valore di 115, inizia un processo di polimerizzazione con formazione di incrostazioni gommose nei condotti dell’impianto di lubrificazione, con riduzione del flusso di lubrificante. Ciò porta all’ inconveniente della sostituzione anticipata dell’olio del motore.
Poiché il biodiesel ha una composizione molto diversa rispetto al gasolio il suo comportamento in termini di emissioni al tubo di scappamento si discosta a volte anche in maniera rilevante dal quello osservato per il gasolio. Nell’utilizzo del biodiesel tradizionale con gli iniettori si nota come questi tendano ad incrostarsi, almeno 2-3 volte di più che con l’utilizzo ad esempio di gasolio. Tale incrostazione è solitamente di tipo carbonioso e tende nel tempo a diminuire di spessore. Per quanto riguarda le emissioni generate dalla combustione del biodiesel tradizionale, il problema degli ossidi di azoto, attualmente considerati tra i composti maggiormente pericolosi, è il jpunto dolente. Mediamente si parla di un aumento delle emissioni di NOx del 8-10% dispetto al gasolio a causa dell'elevato contenuto di ossigeno del biocombustibile. Anche le miscele causano un aumento, se pur minore, della emissione di NOx che si attesta attorno al 2-3 % per esempio per il B20 sempre rispetto al gasolio. Le emissioni di CO sono mediamente inferiori del 20% (per il B 100) rispetto al gasolio; il biodiesel in miscela al 20% emette mediamente il 14% in meno di CO. La presente invenzione permette di produrre un biocarburante rinnovabile, ambientalmente più pulito dei diesel in commercio ed economicamente vantaggioso con un metodo semplice e industrialmente realizzabile in larga scala. Le classi di ingredienti utilizzate per la produzione del biocombustibile sono gli olii di natura vegetale e/o animale, anche esausti o non destinati al consumo umano, rigenerati e/o geneticamente modificati, alghe e microalghe e/o olii da esse derivati, addizionati ad alcoli primari e/o secondari e/ó da glicoli primari e/o secondari, da chetoni ed additivi che migliorano la prestazioni e le caratteristiche chimico-fisiche del biocarburante finale. Di seguito vengono specificate le classi degli ingredienti alla base di detto biocombustibile o biocarburante:
Gli oli vegetali e/o sostanze grasse contenute, in percentuali variabili, nei semi o nei frutti delle piante. Quelli maggiormente utilizzati provengono dai semi di arachide, girasole, soia, sesamo, colza e ravizzone, cotone e dai frutti di palma, olivo e cocco. Attualmente sono molto diffuse le coltivazioni di diverse piante dai cui si ottengono oli vegetali per uso non alimentare. A titolo esemplificativo e non riduttivo si ricordano gli oli ricavati dalle seguenti piante: Jatropha, Brassica, camelma, canola, ricino, cocco, mais, cotone, karani, jojoba, kukui, mamona,-Neem , palma, arachidi, rapa, girasole, sesamo, soia.
Detti olii vanno da un minimo del 35% in peso ad un massimo del 75% in peso sul totale del biocarburante.
La seconda classe di ingredienti è quella degli alcoli: CnH(2n+2)0. Tra gli alcoli ricordiamo quelli primari a catena corta fino a tre atomi di carbonio, Cl, C2, C3 insieme ad alcoli superiori C4, C5, C6, C7 etc. con l’àccortezza di realizzare una combinazione tra almeno uno o più alcoli secondari (da C4 in su) e uno o più alcol primari (Cl, C2, o C3) nel momento in cui si vuole ottenere un biocombustibile con un punto di infiammabilità minore di 30°C. In alternativa agli alcoli primari possono essere impiegati i dimetilfurani. In particolare si può impiegare il 2,5 dimetilfurano (CeHsO) o il suo isomero 2,3-DMF sempre secondo Γ indicazione precedentemente descritta. Nel momento in cui si vuole od occorra produrre un biocarburante con un punto di infiammabilità superiore ai 40°C e comparabile a quello del diesel occorre sostituire gli alcoli primari (Cl, C2, C3) con la classe dei Dioli o Glicoli, formula bruta CnΗ(2η+2)θ2 (etilenico o propilenico) sempre con l’accortezza di realizzare una combinazione tra almeno uno o più alcoli secondari (da C4 in su) e uno o entrambi i glicol primari (etilenico o propilenico).
Un alternativa ai Dioli può essere rappresentata dai Trioli.
La funzione degli alcol primari nella prima categoria di biocombustibile è quella di favorire la riduzione della viscosità iniziale dell’olio Vegetale di partenza, di abbassare il punto di congelamento e di nebbia, di anticipare l’accensione della miscela olio. vegetale alcoli superiori.
La funzione dei dioli nella prima,categoria di biocombustibile è quella di favorire la riduzione della viscosità iniziale delf olio vegetale di partenza, di abbassare il punto di congelamento e di nebbia, e di mantenere un punto di infiammabilità comparabile o superiore a quello del diesel tradizionale.
Altra condizione per ottimizzare la qualità del biocarburante è di avere una quantità di alcoli secondari uguale o superiore al 20 %(venti per cento) in peso sul totale del biocarburante e non superiore al 55% (cinquantacinque per cento) in peso sul totale del biocarburante.
La combinazione degli alcoli primari+secondari sopra descritta e/o dioli alcoli secondari sopra descritta permettono di ottenere un bilanciamento ottimale e molto stabile nel tempo del biocarburante, mitigando problemi intrinseci degli alcoli primari legati al basso numero di cetano, consentendo un’ottima ignizione e garantendo al contempo valori di contenuto energetico della miscela comparabili a quelli del diesel o leggermente inferiori.
Detti alcoli primari o DMF nella formula vanno da un minimo dell’0.1% in peso ad un massimo del 25% in peso sul totale del biocarburante.
Detti dioli o trioli nella formula vanno da un minimo dell’0.1% in peso ad un massimo del 25% in peso sul totale del biocarburante.
Detti alcoli secondari nella formula vanno da un minimo del 20% in peso ad un massimo del 55% in peso sul totale del biocarburante.
Ulteriore classe di ingredienti da addizionare al combustibile per favorire la riduzione della viscosità e prevenire la formazione di incrostazioni carboniose negli ugelli dei bruciatori o negli iniettori sono i chetoni (CnH2nO), nella misura di un minimo dello 0.1% in peso fino all’ 1.1% max in peso sul totale del biocarburante. Il chetone~-più semplice da prevedere è il CH3COCH3, dimetil-chetone, ma altri chetoni, più complessi posso essere utilmente impiegati.
A seguire vengono indicati i principali additivi da includere nel combustibile per migliorare le performance- dello stesso. Detta lista è a solo titolo esemplificativo e non è da ritenersi limitativa:
- Coloranti o pigmenti per condizionare il colore finale del biocarburante per motivi commerciali o fiscali a seconda del paese in cui utilizzarlo in quantità non superiori all’ 1% in peso sul totale;
- Sostanze odorizzanti prescritte per eventuale regolamento o legge del paese di utilizzo;
- Miglioratori del numero di cetano del biocarburante quali DTBP (diterz-butil perossido), etere dietilico (C2H5)20 o 2-etil-exil-nitrato in quantità non superiori al 2.5% in peso sul totale;
- Additivi per la riduzione dei fenomeni del coking o delle incrostazioni carboniose quali le polieterammine in quantità non superiori al 3% in peso sul totale;
Il procedimento e le formule per produrre i biocombustibili di seguito riportati sono tra i vari utilizzati dall’inventore ed oggetto dell’invenzione. A solo titolo di esempio, senza peraltro voler limitare Γ invenzione ai soli esempi citati di seguito, si riportano alcune delle formule e procedure utilizzate per produrre il biocombustibile nella maniera innovativa oggetto del presente brevetto. L’ordine con cui si miscelano i vari componenti indicato nei seguenti paragrafi è a solo titolo esemplificativo e non limitativo.
In un primo esempio è stata utilizzata la seguente formulazione:
In un primo reattore mantenuto in agitazione con un miscelatore viene addizionato l’etanolo, il DMF, il chetone e l’olio soia crudo. In un secondo reattore, anch’esso mantenuto in agitazione, vengono addizionati il pentanolo, l’esanolo e il butanolo. Quando vengono ottenute condizioni di omogeneità delle miscele nei due reattori si addiziona il contenuto del secondo reattore nel primo con gradualità ed avendo cura di mantenere in agitazione il reattore fino ad ottenere il biocarburante che si presenta completamente trasparente ed omogeneo alla vista nonché di bassissima viscosità. Invece di due reattori si può utilizzare anche un unico reattore avendo cura di mantenere in agitazione il prodotto dall’inserimento del secondo ingrediente in poi e per tutta la durata del processo. Nel caso di reattore unico la sequenza degli ingredienti è stata: olio vegetale, DMF, dimetil-chetone, etanolo, penlanolo, butanolo, esanolo. In entrambi i casi (unico reattore o due reattori separati) non sono necessarie regolazione della pressione di esercizio e il processo funziona in un intervallo di temperature da -5°C a 40°C.
Le principali caratteristiche chimico-fisiche del biocarburante sopra indicato sono:
In un secondo esempio è stato prodotto un biocarburante secondo la seguente formulazione:
In un primo reatore mantenuto in agitazione con un miscelatore viene addizionato Γ etanolo, il dimeti chetone e l’olio vegetale. In un secondo reatore, anch’esso mantenuto in agitazione^tengono addizionati il pentanolo, 1’esanolo e il butanolo. Quando vengono otenute condizioni di omogeneità delle miscele nei due reatori si addiziona il contenuto del secondo reatore nel primo con gradualità ed avendo cura di mantenere in agitazione il reatore fino ad otenere il biocarburante che si presenta completamente trasparente ed omogeneo alla vista nonché di bassissima viscosità. Invece di due reatori si può utilizzare anche un unico reatore avendo cura di mantenere in agitazione il prodoto dall’inserimento del secondo ingrediente in poi e per tutta la durata del processo. Nel caso di reatore unico la sequenza degli ingredienti è stata: olio vegetale, dimetilchetone, etanolo, pentanolo, butanolo, esanolo. In entrambi i casi (unico reatore o due reatori separati) non sono necessarie regolazione della pressione di esercizio e il processo funziona in un intervallo di temperature da -5°C a 40°C.
Le principali caratteristiche chimico-fisiche del biocarburante sopra indicato sono:
In un terzo esempio è stato prodotto un biocarburante secondo la seguente formulazione:
E’ stato utilizzato un unico reattore avendo cura di mantenere in agitazione il prodotto dall’inserimento del secondo ingrediente in poi e per tutta la durata del processo. La sequenza degli ingredienti è stata: olio vegetale esausto riciclato, dimetil-chetone, etanolo, butanolo, esanolo, etere dietilico. Non sono state necessarie regolazione della pressione di esercizio e il processo funziona regolarmente in un intervallo di temperature da -5°C a 40°C.
Le principali caratteristiche chimico-fisiche del biocarburante sopra indicato sono:
In un quarto esempio è stato -prodotto un carburante con la seguente formula:
E’ stato utilizzato un unico reattore avendo cura di mantenere in agitazione il prodotto dall’inserimento del secondo ingrediente in poi e per tutta la durata del processo. La sequenza degli ingredienti è stata: olio vegetale, dimetil-chetone, glicol etilenico, butanolo, esanolo. Non sono state necessarie regolazione della pressione di esercizio e il processo funziona regolarmente in un intervallo di temperature da -5°C a 40°C.
Le principali caratteristiche chimico-fisiche del biocarburante sopra indicato sono:
Il combustibile oggetto della presente invenzione permette di essere utilizzato tal quale senza dover modificare i serbatoi e/o i circuiti di alimentazione dei motori, dei generatori, delle turbine e dei bruciatori. Ciò consente di tornare alTutilizzo di combustibili tradizionali in qualsiasi momento senza necessità di modifiche. Il biocarburante mantiene una stabilità e non presente nessuna alterazione se stoccato in serbatoi tradizionalmente utilizzati per combustibili diesel per oltre 24 mesi. Il biocarburante può tollerare acqua contenuta in quantità minime (dallo 0.1 % in peso al 3% in peso) negli ingredienti con cui è stato formulato ed oggetto del presente brevetto.
Tutti i biocombustibili oggetto del presente brevetto sono completamente miscelabili con ogni qualità di diesel nelle varie proporzioni 1,2, 3..99% in volume e viceversa si può addizionare diesel in valori pari a 1,2, 3, ..99% in volume laddove si voglia incrementare il potere calorifico o realizzare miscele (Bl, B5, B10, B20,..B99).
Con le formule e il processo sopra indicato sono stati realizzati i biocarburanti con le caratteristiche di cui sopra. Detti biocarburanti sono stati testati qualitativamente in due motori e in due condizioni: biocarburanti puri al 100% e B10 (90% volume diesel+10% in volume biocarburante) in un motore Cummins da 230 HP e uno da 275 HP a sei cilindri con coppia pari a 890 N*m, rispettivamente in equipaggio a un furgone industriale e ad un autosnodato. L’avviamento (anche a freddo) utilizzando il biocarburante puro è avvenuto sempre senza difficoltà e per tutta la durata delle prove. Sono stati percorsijoltre 1500 km di strada di diversa pendenza e in diverse condizioni climatiche e di carico degli automezzi senza avvisare nessuna variazione percettibile nella guida, nessuna riduzione di potenza o coppia dei mezzi. Alla verifica del combustibile consumato (utilizzando in un caso diesel tradizionale e nell’altro il biocarburante) su un circuito standard in analoghe condizioni di guida la differenza è stata prossima al 5% in volume (dunque con un leggero incremento del consumo di biocarburante rispetto al diesel).
Sono stati condotti test qualitativi alle emissioni per i motori di cui sopra. Gli idrocarburi incombusti prodotti durante la combustione del nuovo combustibile sono mediamente inferiori del 15-20 % rispeto a quelli prodoti dal diesel tradizionale. Le emissioni di CO sono mediamente inferiori del 15% rispeto ai diesel tradizionali. La fumosità diminuisce notevolmente, fino al 90% circa.
L'emissione di SOxnon costituisce un problema essendo il nuovo combustibile quasi del tutto privo di zolfo se non nelle tracce residue dello stesso nell’olio vegetale utilizzato. Le emissioni degli inquinanti considerati sono inferiori per il nuovo combustibile anche nel caso degli NO3⁄4punto dolente del biodiesel tradizionale. Mediamente è stata registrata una riduzione di circa il 40% di NOxrispetto al diesel tradizionale.
Claims (1)
- Rivendicazioni 1) Il processo, il metodo e le formulazioni per la produzione di un biocarburante a base di olii di natura vegetale, anche esausti, rigenerati e/o geneticamente modificati, alghe e microalghe e/o olii da esse derivati, addizionati ad alcoli primari e/o secondari, e/o a dimetilfurani, e/o a dioli, a chetoni ed altri additivi per utilizzo in generatori e/o motori a combustione interna per autotrazione, e/o turbine e/o caldaie; 2) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 avente almeno il 35% in peso di oli vegetali, anche esausti, rigenerati e/o geneticamente modificati, alghe e microaighe e/o olirda esse derivati anche non destinati al consumo umano o ottenuti come scarti di produzione da processi industriali; detto biocarburante è completamente miscelabile in ogni proporzione con ogni qualità di diesel; 3) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 avente un alcool a catena corta (C1-C3) e/o un DMF e/o un diolo e/o un triolo o la combinazione di essi e avente uno o più alcol secondari (Alcool N-butilico, e/o Iso-butilico e/o Tert-butilico, o una miscela di due o tre dei suddetti alcoli, e/o pentanolo, e/o esanolo, e/o eptanolo, e/o alcol superiore e/o una miscela dei suddetti) ed avente un chetone nella sua formulazione; 4) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 contenente olio vegetale in proporzione daU’35% al 75% in peso; 5) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 contenente un alcool a catena corta (C1-C3) e/o un DMF e/o un diolo o la combinazione di essi in proporzione dalTO.l al 25% in peso; 6) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 contenente uno o più alcol secondari (Alcool N-butilico, e/o Iso-butilico e/o Tertbutilico, o una miscela di due o tre dei suddetti alcoli, e/o pentanolo, e/o esanolo, e/o eptanolo, e/o alcol superiore e/o una miscela dei suddetti) in proporzione dal 20% al 55% in peso; il biocarburante può contenere anche un chetone in proporzione dall’0.1 al 1.1% in peso; 7) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 contenente anche un agente migliorativo del numero di cetano quali DTBP (diterz-butil perossido), e/o etere dietilico (C^Hs^O e/o 2-etil-exil-nitrato in quantità non superiori al 2.5% in peso sul totale; detto biocarburante può contenere anche un agente colorante o pigmenti per condizionare il _ colore finale dello stesso per motivi commerciali o fiscali a seconda del paese in cui utilizzarlo in quantità non superiori all’1% in peso sul totale; detto biocarburante può contenere anche sostanze odorizzanti prescritte per eventuale regolamento o legge del paese di utilizzo e può contenere anche additivi per la riduzione dei fenomenitdel coking o delle incrostazioni carboniose quali le polieterammine in quantità non superiori al 3% in peso sul totale; 8) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 in cui il rapporto alcol primario e/o diòlo : alcol secondari sia di circa 1:2.5 e/o 1:3; detto biocarburante può tollerare acqua fino al 3% anche eventualmente contenuta nei suoi ingredienti principali come contaminante; 9) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 a bassa viscosità, comparabile per caratteristiche e performance dei motori a combustione interna al diesel tradizionale; detto biocarburante può essere utilizzato tal quale senza dover modificare i serbatoi e/o i circuiti di alimentazione e/o i motori e/o i bruciatori delle caldaie e/o turbine industriali; 10) Un biocarburante come descritto alla rivendicazione 1 in cui gli idrocarburi incombusti prodotti durante la combustione sono mediamente inferiori del 15-20 % rispetto a quelli prodotti dai diesel tradizionali; le emissioni di CO sono mediamente inferiori del 15% rispetto ai diesel tradizionali; le emissioni di NOx sono mediamente inferiori del 40% rispetto ai diesel tradizionali e del 50% rispetto ai biodiesel; le emissioni di SOx sono mediamente inferiori almeno del 99% rispetto ai diesel tradizionali e in cui la fumosità è mediamente inferiori almeno del 80% -rispetto ai diesel tradizionali.
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