KR20140034168A - 촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치 - Google Patents

촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20140034168A
KR20140034168A KR1020137028085A KR20137028085A KR20140034168A KR 20140034168 A KR20140034168 A KR 20140034168A KR 1020137028085 A KR1020137028085 A KR 1020137028085A KR 20137028085 A KR20137028085 A KR 20137028085A KR 20140034168 A KR20140034168 A KR 20140034168A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
alcohol
fuel
ether
heat exchanger
reactor
Prior art date
Application number
KR1020137028085A
Other languages
English (en)
Inventor
크리스토프 뒤위그
파르 엘.티. 가브리엘슨
톤 브이.더블유. 잔센스
Original Assignee
할도르 토프쉐 에이/에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 할도르 토프쉐 에이/에스 filed Critical 할도르 토프쉐 에이/에스
Publication of KR20140034168A publication Critical patent/KR20140034168A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B51/00—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
    • F02B51/02—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines involving catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/14—Organic compounds
    • C10L1/18—Organic compounds containing oxygen
    • C10L1/182—Organic compounds containing oxygen containing hydroxy groups; Salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C10L1/026—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only for compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

자동차 용도 및 선박 용도를 위한 연료는, 1차 탱크로부터 알코올 함유 연료를 위한 입구, 시동 히터, 냉 알코올(들)을 반응기에 들어가기 전에 적당한 온도로 가열하는 열교환기, 알코올(들)이 에테르(들)로 부분적으로 변환되는 반응기 내의 촉매 베드, 압력 감소 밸브, 첨가제를 가하는 입구 수단 및 알코올(들) 및 에테르(들)의 결과된 연료 혼합물이 적당한 냉각을 위해 열교환기를 통해 다시 통과한 후 저장되는 버퍼 탱크를 포함하며, 히터는 단지 시동 동안에 사용되고 공정은 이로써 자열 운전 조건 하에 행해지는 소형 장치에서 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의해 제조된다.

Description

촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치{A PROCESS FOR PREPARING A FUEL FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, STATIONARY ENGINES AND MARINE APPLICATIONS BY CATALYTIC LIQUID PHASE ALCOHOL CONVERSION AND A COMPACT DEVICE FOR CARRYING OUT THE PROCESS}
본 발명은 바이오 연료로 언급되는 알코올 함유 연료에서 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 방법을 수행하기 위한 소형 장치에 관련된다.
현재 바이오 연료의 지속가능하고 일반화된 이용은 차세대 바이오 연료로 가능하다. 그러나, 이들 바이오 연료는 "원료" 상태로 낮은 등급을 가질 수 있고, 그것들은 종종 종래의 엔진에서 만족스럽게 연소할 수 없다. 특히, 바이오 에탄올의 높은 물 함량은 수송기관을 위한 그것의 용도를 제한하고 과잉의 물의 제거하기 위한 에너지 소비 증류 단계를 요한다. 더욱이, 바이오 연료는 종종 낮은 세탄가의 단점을 겪고, 그것들은 고가의 첨가제가 첨가되지 않으면 디젤 엔진 작동에 적합하지 않고, 이것은 차례로 알코올 함유 바이오 연료의 스파크 점화되는 저효율 엔진에의 사용을 제한한다. 이 사실은 알코올 함유 연료의 간단하고 비용면에서 효과적인 업그레이드를 허용하여 그것을 효율적인 디젤 운전에 유용하게 하는 엔지니어링 용액을 개발할 필요를 강조한다.
본 발명은 바이오 연료에서 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 변환에 의해, 특히 디젤 엔진에서 사용하기 위한 자동차 연료를 제조하는 방법을 제공함으로써 이 필요를 충족시킨다. 더 구체적으로, 본 발명은 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도 및 선박 용도를 위한 운송수단용 연료의 제조방법에 관련되는데, 상기 방법은
(a) 알코올(들)의 열교환기의 통과에 의한 알맞는 가열 단계,
(b) 가열된 알코올(들)을 조절된 온도하에 제어된 유량으로 촉매 베드를 통과시킴에 의해 처리하여, 이로써 알코올(들)이 대응하는 에테르(들)로 부분적으로 변환되어, 알코올(들) 및 에테르(들)을 원하는 비율로 함유하고 또한 물을 함유하는 연료 혼합물을 가져오는 단계,
(c) 알코올(들) 및 에테르(들)의 결과된 물 함유 혼합물을 1차 연료 흐름의 반대 방향으로 상기 열교환기를 통하여 통과시킴으로써 냉각시키는 단계, 그리고
(d) 선택적으로 혼합물에 선택된 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하며,
이로써 자열 운전 조건 하에 알코올(들) 및 에테르(들)의 물 함유 연료 혼합물을 얻으며, 상기 연료 혼합물은 주어진 용도에 특이적인 특징을 갖는다.
더 나아가서, 본 발명은 방법을 수행하는 저가의 소형 장치를 제공한다. 이 소형 장치는 준-자열(quasi-autothermal) 변환기인데 이것은 저급 바이오 연료(알코올 함유)를 디젤 엔진에서 사용하기에 효과적인 연료로 업그레이드하는 것을 가능하게 한다.
기본 디젤 엔진(Rudolf Diesel이 발명)은 1893년 그것의 탄생 이래 부단한 개선이 있어왔다. 엔진 효율은 해를 거듭할수록 극적으로 증가되었고, 디젤 엔진이 청정한 바이오 디젤로 굴러가는 능력 때문에 디젤 엔진의 앞으로의 전망은 그것의 대응물인 가솔린 연료로 된 스파크 점화 엔진에 대한 것보다 훨씬 더 밝다. 연료 연소와 관련된 기체 및 고체 입상물질로 인해 사람의 건강과 지구 환경 변화에 대한 관심은 국제적으로 주목과 관심이 증가하고 있다. 보다 구체적으로, 입상 물질과 질소 및 황의 산화물의 양은 현대의 디젤 엔진에도 문제이다. 비연소 연료 및 일산화탄소는 또 다른 부정적 환경상 및 사람에의 영향을 제기한다. 그러므로 환경상의 관점으로부터와 증가하는 오일 부족 때문에 디젤 엔진을 비화석 연료로 효울적으로 굴러가게 만드는 것이 극도로 중요하다.
알코올(예를 들면 메탄올 및 에탄올)은 압축 점화 엔진에서 사용할 때 불량 연료라는 것은 잘 알려져 있다. 참으로, 그것들은 열등한 세탄가를 갖는다(에탄올은 5보다 아래의 세탄가를 가지며, 메탄올에 대해서는 훨씬 더 낮다). 그러나, 올바른 양으로 에테르의 첨가(예를 들어 메탄올/DME(디메틸에테르) 혼합물을 제공함)는 이러한 제한점을 극복할 수 있다는 것도 또한 잘 알려져 있다. 디메틸에테르에 대해 세탄가는 55보다 위이고, 디에틸에테르에 대해 그것은 훨씬 더 높다(125보다 위임). 메탄올 또는 에탄올과 같은 알코올과, 디메틸에테르 또는 디에틸에테르와 같은 에테르를 최적의 비율로 혼합함으로써, 디젤 엔진의 효율적이고 매우 청정한 운전이 따라서 얻어질 수 있다.
그러나, 다루어야할 어떤 실제적인 문제가 있다. 먼저, 디에틸에테르는 현재 어떤 분포망으로도 이용가능하지 않고 더욱이 자동차 연료로서 디에틸에테르 및 다른 에테르의 사용은 가압된 연료 탱크의 사용을 포함하는 비교적 엄격한 안전상의 제한을 받는다. 이들 제한을 극복하기 위해 알코올/에테르 혼합물에서 필수적인 에테르는 알코올의 일부의 대응하는 에테르로의 인시튜 변환에 의해 탑재되어(on-board) 제공되어야 한다. 에테르 탑재를 제공하기 위해 엔진에 적합하게 장착될 수 있는 소형장치를 갖는 것이 필요하다. 본 발명은 엔진에 장착되거나 일체화될 수 있는 열교환기 및 버퍼 탱크가 보충된 준-자열 변환기인 소형 장치를 제공함으로써 이 필요를 충족한다.
장치에서 알코올 변환으로부터 결과되는 연료 혼합물은 적어도 알코올 변환에 의해 생성된 에테르(들), 잔류 알코올 및 물로 구성된다. 이 연료 혼합물은 (On-Board Alcohol To Ether: OBATE) 연료로 불린다. OBATE 연료는 그 자체로 직접 사용될 수 있다. 즉, 사용에 앞서 물을 제거하는 것을 필요로 하지 않는다. 반대로, 일부 물의 존재는 놀랍게도 그것이 매우 반응성인 에테르, 특히 디에틸에테르에 대한 희석 효과를 갖기 때문에 그리고 또한 어쨋든 연소를 억제하지 않고 온도 상승을 제한함으로써 연소에 대한 어떤 영향을 갖기 때문에 유리하다.
자동차 목적으로 알코올의 에테르로의 변환을 다루는 수많은 과정 및 장치는 종래 기술에 기재되어 있다. 따라서 WO 01/02515 (Haldor Topsoe A/S)는 디젤 엔진용 연료로서 사용되는 알코올의 에테르 및 물로의 연속적인 탈수에 관련된다. 그것은 알코올-대 에테르 변환 원리를 기술하나, 엔진과 조합되는 열교환기 및 버퍼 탱크를 갖는 소형 장치에 관해서는 언급하지 않는다. US 4.422.412 (AECI Ltd.)는 실린더에서 직접 분사하는 열교환기 및 버퍼 탱크가 없는 시스템을 망라한다. 커먼 레일(common-rail) 분사 시스템에 연결될 수 있는 버퍼 탱크를 함유하는 본 발명에 따르는 장치와 달리, 이것은 매우 고압하에 작동하는 시스템이다. 또한, 그것은 에테르를 함유하는 연료로부터 열을 회수함으로써 자열 운전하지 않는다. US 4.876.989 (Technology Development Associates, Inc.)는 냉 조건의 동안에 알코올 연료 공급된 엔진의 성능을 향상시키는 방법을 기술한다. 방법은 시동 개선을 위한 기상 반응을 포함한다. EP 0 419 743 (Her Majesty the Queen in Right of New Zealand)은 압축 점화 엔진을 위한 연료 공급 및 제어 시스템을 기술한다. 단지 알코올의 일부만 업그레이드를 위해 사용되고(에테르 파일롯 연료), 반응은 기상으로 실행되어 물과 알코올을 축합하여, 이로써 파일롯 분사를 위한 순수한 에테르를 얻는다. US 6.340.003 (Haldor Topsoe A/S)은 가열을 위해 배기 가스를 사용하여 고압에서 디메틸에테르에 대한 압축 엔진을 작동하는 방법에 관련된다. 저급 에테르의 사용은 US 4.892.561 (Irving E. Levine) 및 US 5.906.664 (Amoco Corp.)에 또한 기술되어 있다. 내연기관을 위한 에탄올 연료 개질(개질이 알코올을 H2 및 CO로 변환하게 되기 때문에 부적절하게 그렇게 부름)시스템은 US 2008/0282998 (Honda Motor Co. Ltd.)에 기술되어 있다. 시스템은 배기가스로부터 간접 가열을 사용하고, 중간 유체는 알코올을 가열하고 반응을 냉각시킨다. US 2006/0180099 (Honda Motor Co. Ltd.)는 압축 점화 내연기관을 제어하는 방법을 제공하나, 그것은 하나 대신에 두가지 연료를 부수적으로 사용하는 방법을 작동하는 장치 또는 시스템에 관하여 언급하지 않는다. 마지막으로, US 2011/005501 (MAN Nutzfarzeuge AG)는 운송수단을 위한 연소 공기의 에테르 훈증으로 자체 점화하는 내연기관에 관련된다. 배기가스는 훈증으로서 실린더에서 분사 전에 알코올을 기화 및 가열하기 위해 사용된다. US20080319236은 에테르를 합성하기 위한 방법 및 촉매를 개시한다. 구체예에서, 본 발명은 알코올 공급원료를 약 100℃ 보다 높은 온도로 가열하는 단계; 그리고 알코올 공급원료를 티타니아 및 알루미나로 구성되는 군으로부터 선택된 금속 산화물을 포함하는 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는 알코올 공급원료로부터 에테르를 합성하는 방법을 포함한다. 다른 구체예도 또한 여기에 기술된다.
상기 열거된 종래 기술은 알코올 및 에테르가 자동차 엔진에 유망한 연료라는 사실을 일반적으로 다루는 반면에, 참고문헌 중 어느 것도 엔진에 직접 장착될 수 있는 열교환기 및 버퍼 탱크가 보충된 준-자열 변환기의 형태의 소형 장치를 개시하거나 언급한 것은 없다.
전통적으로, 디에틸에테르의 제조는 적당한 촉매 위에서 에탄올의 탈수에 의해 적당한 압력(약 20 바아) 하에서 수행된다. 만일 이 과정이 탑재 상태에서 수행되어야 한다면, (1) 에탄올 함유 연료를 증발시키는 단계, (2) 디에틸에테르로 변환을 수행하는 단계, (3) 생성물을 응축하는 단계, 및 (4) 엔진으로 분사하기 전에 혼합물을 또한 압축하는 단계를 수반할 것이다. 그러므로 보다 소형이고 운전 효율적인 장치를 사용하여 오로지 액상으로 작동하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 이 목적으로 놀랍게도 소형이고 일체화가능한 장치를 제공하며, 이 장치는 자동차 용도 및 선박 용도를 위해 알코올(예를 들어 에탄올)의 에테르(예를 들어 디에틸에테르)로의 변환을 수행한다. 본 발명에 따르는 장치는 자열 방식이고, 따라서 정상 운전 동안에 열이 가해져야 하거나 제거되어야 하거나 하지 않는데, 이것은 장치의 소형화에 기여한다. 다시 말하면, 장치는 1차 연료 탱크로부터 "냉" 알코올을 이용하고 엔진으로 압축 및 분사를 위해 "냉" 에테르 함유 혼합물을 전달한다.
설계를 그렇게 소형화하는 것이 가능한 또 다른 이유는 사용에 앞서 제조된 OBATE 연료로부터 물을 제거하는 것이 필요하지 않다는 것이다. 이미 언급한 바와 같이 물의 존재는 연소에 대한 물의 유용한 영향 때문에 유리하기까지 하다.
발명의 특징:
1. 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도 및 선박 용도를 위한 운송수단용 연료의 제조방법을 수행하기 위한 장치로서, 상기 장치는
· 1차 탱크로부터 알코올 함유 연료를 위한 입구,
· 촉매 베드 또는 대안으로 열교환기의 하류의 흐름을 초기에 가열하는 시동 히터,
· 냉 알코올(들)을 반응에 앞서 적당한 온도로 가열하는 열교환기,
· 반응기,
· 알코올(들)이 에테르(들) 및 물로 부분적으로 변환되는 반응기 내의 촉매 베드,
· 압력 감소 밸브,
· 첨가제를 가하는 입구 수단 및
· 알코올(들), 에테르(들) 및 물의 결과된 연료 혼합물이 적당한 냉각을 위해 열교환기를 통해 다시 통과한 후 저장되는 버퍼 탱크를 포함하며,
히터는 단지 시동 동안에 사용되고 방법은 이로써 자열 운전 조건 하에 행해지고, 1차 연료 및 결과되는 연료 혼합물은 둘다 상기 장치에서 액상으로 있다.
2. 특징 1에 따르는 장치에 있어서, 촉매 베드는 반응기에서 고정 베드로서 배치된 알코올 탈수 촉매이다.
3. 전술한 특징 중 어떤 것에 따르는 장치에 있어서, 버퍼 탱크는 엔진 연료 분사 시스템으로의 연료 출구 및 상기 엔진 연료 분사 시스템으로부터의 재순환 연료 입구를 더 포함한다.
4. 전술한 특징 중 어떤 것에 따르는 장치에 있어서, 상기 장치는 모든 포함된 구성부품이 적어도 하나의 지지판에 장착된 소형 설계이다.
5. 전술한 특징 중 어떤 것에 따르는 장치에 있어서, 상기 장치는 운송수단 엔진에 일체화되어 있다.
6. 전술한 특징 중 어떤 것에 따르는 장치에 있어서, 반응기에서 연료의 온도는 180℃- 260℃의 범위이고 반응기에서 연료의 압력은 30-90 바아이다.
7. 전술한 특징 중 어떤 것에 따르는 장치에서 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도 및 선박 용도를 위한 운송수단용 연료의 제조방법으로서, 상기 방법은
(e) 알코올(들)의 열교환기의 통과에 의한 알맞는 가열 단계,
(f) 가열된 알코올(들)을 조절된 온도하에 제어된 유량으로 촉매 베드를 통과시킴에 의해 처리하여, 이로써 알코올(들)이 대응하는 에테르(들)로 부분적으로 변환되어, 알코올(들) 및 에테르(들)을 원하는 비율로 함유하고 또한 물을 함유하는 연료 혼합물을 가져오는 단계,
(g) 알코올(들) 및 에테르(들)의 결과된 물 함유 혼합물을 1차 연료 흐름의 반대 방향으로 상기 열교환기를 통하여 통과시킴으로써 냉각시키는 단계, 그리고
(h) 선택적으로 혼합물에 선택된 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하며,
이로써 자열 운전 조건 하에 알코올(들) 및 에테르(들)의 물 함유 연료 혼합물을 얻으며, 상기 연료 혼합물은 주어진 용도에 특이적인 특징을 갖는다.
8. 특징 7에 따르는 방법에 있어서, 알코올은 에탄올이고 에테르는 디에틸에테르이다.
9. 특징 7에 따르는 방법에 있어서, 알코올은 메탄올이고 에테르는 디메틸에테르이다.
본 발명에 따르는 장치는 도 1 내지 도 3에 예시하며 다른 각도들로부터의 장치의 바람직한 구체예를 나타낸다. 도 4는 엔진에서 장치를 일체화하는 원리를 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따르는 장치는
· 1차 탱크로부터 알코올 함유 연료를 위한 입구,
· 촉매 베드 또는 대안으로 열교환기의 하류의 흐름을 초기에 가열하는 시동 히터,
· 냉 알코올(들)을 반응에 앞서 적당한 온도로 가열하는 열교환기,
· 반응기,
· 알코올(들)이 에테르(들) 및 물로 부분적으로 변환되는 반응기 내의 촉매 베드,
· 압력 감소 밸브,
· 첨가제를 가하는 입구 수단 및
· 알코올(들), 에테르(들) 및 물의 결과된 연료 혼합물이 적당한 냉각을 위해 열교환기를 통해 다시 통과한 후 저장되는 버퍼 탱크를 포함하며,
히터는 단지 시동 동안에 사용되고 공정은 이로써 자열 운전 조건 하에 행해진다.
운송수단은 본문에서 엔진으로부터 동력하에 움직일 수 있는 선박을 의미한다.
본 발명에 내재하는 아이디어의 초점은 (i) 반응기에서 촉매 반응 후 열을 회수하고 그것을 사용하여 1차 연료 탱크로부터의 알코올(들)을 가열하는 것 (즉, 자열 운전) 그리고 (ii) 커먼 레일(복귀 라인)에 연결될 수 있고 변환기를 시동하기에 앞서 시동하기 위해 사용될 수 있는, 첨가제(예를 들어 윤활제)를 첨가할 때 사용되는 버퍼 탱크를 갖는 것이다.
본 발명에 따라 액상 공정을 수행하는 소형 장치는 도 1 내지 도 3에 예시하며 장치의 바람직한 구체예를 나타낸다. 정상 상태(steady state) 운전을 위해, 다음 단계들이 행해진다(도 1의 원을 친 번호 ① 내지 ④ 참조).
(1) 운송수단의 연료 탱크로부터의 알코올은 알코올 입구를 통해 시스템에 들어가고, 열교환기를 통과하고, 적당한 온도에서 열교환기를 나간다.
(2) 거기로부터, 가열된 알코올은 반응기로 들어가고, 중심관을 흘러내리고 촉매 베드를 통해 흘러올라가는데, 이때 그것은 탈수에 의해 대응하는 에테르로 부분적으로 변환된다. 반응은 다음과 같다.
메탄올 함유 1차 연료에 대해 2CH3OH ↔ CH3-O-CH3 + 2H2O 그리고
에탄올 함유 1차 연료에 대해 2CH3CH2OH ↔ CH3CH2-O-CH2CH3 + 2H2O.
본 발명에 따르는 공정 및 장치에서 사용하기 위한 적당한 탈수 촉매는 고체산, 예를 들면 알루미나, 실리카 알루미나, 제올라이트, 텅스텐산염 또는 황산염 산화물, 알루미나 포스페이트, 술폰산 작용기를 함유하는 재료, 예를 들면 술폰산염 폴리스티렌, 술폰산염 플루오로카본 폴리머, 술폰산 작용화된 산화물 재료(알루미나, SBA-15, 실리카) 및 이들의 혼합물을 포함한다.
(3) 반응기를 나가는 결과된 혼합물은 OBATE 연료를 구성한다. 변환률은 연료의 흐름뿐만 아니라 반응기 내 온도를 조절함으로써 설정된다.
(4) 반응기를 떠날 때, 고온의 OBATE 연료는 들어오는 냉 알코올 함유 1차 연료의 역방향으로 열교환기를 다시 통과하고, 거기에 열을 전달함으로써 냉각된다. 냉각된 OBATE 연료는 다음에 압력 감소 밸브를 통과한다. 첨가제는 연료에 보충될 수 있고 그후 그것은 버퍼 탱크에 저장된다. 반응기와 버퍼 탱크의 각각의 작동 압력은 다르고, 비교적 고압에서 반응을 가능하게 하며, 동시에 가벼운 버퍼 탱크를 허용한다.
시동시 반응기는 냉하고, 따라서 열교환기는 충분한 가열을 제공할 수 없고, 따라서 촉매 베드를 통과하기 전에 냉 알코올(들)을 예열하기 위해 전기 시동 히터가 사용된다. 일단 정상 상태에 달하면, 시동 히터는 꺼진다. 장치의 작동 동안에 촉매 베드에서 변환률은 품질 및 온도 센서에 의해 모니터된다. 변환속도는 전기 히터를 통한 예열 온도뿐만 아니라 알코올 흐름을 조절함으로써 제어된다.
냉 OBATE 연료는 버퍼 탱크에 일시적으로 저장되는데, 이로부터 그것은 인젝터 또는 커먼 레일에 이송된다. 복귀 흐름이 허용되어, 그것은 질량 유량이 엔진이 소비할 수 있는 것보다 더 크다면 잉여 연료를 재순환하는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따르는 장치가 현존하는 운송수단 엔진에서 어떻게 일체화될 수 있는지를 개략적으로 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 알코올 함유 연료는 열교환기를 통해 통과하기 전에 엔진의 배기에 의해 예열될 수 있고, 과잉의 OBATE 연료는 엔진의 커먼 레일로부터 버퍼 탱크로 복귀될 수 있다.
요약하면, 본 발명에 따르는 방법 및 장치의 이점은 다음과 같다.
· 변환은 오로지 액상으로 행해지며, 따라서 반응물을 증발시키거나 생성물을 응축할 필요가 없다. 열의 회수는 자열 운전을 가능하게 한다. 냉 시동 시를 제외하고는 알코올을 예열하기 위해 추가의 열을 필요로 하지 않는다.
· 장치의 소형의 일체화된 설계는 자열 방식으로 변환을 가능하게 한다.
· 사용하기에 앞서 제조된 연료 혼합물로부터 물을 제거하는 것이 필요하지 않고, 이것은 소형 설계를 가능하게 한다.
· 단지 알코올을 함유하는 연료가 1차 연료 탱크에 저장된다.
· 버퍼 탱크는 그것을 불균일 또는 비정상 연료 소비를 취급하고 엔진의 커먼 레일로부터의 복귀 흐름을 가능하게 한다.
· 버퍼 탱크는 그것을 유닛 인젝터와 사용할 때 비정상 연료 소비를 취급하는 것을 가능하게 한다.
· 시동을 위한 적당한 열 입력은 운송수단의 전지를 사용하는 전기 가열과 양립가능하다. 작동은 나머지 시간에 자열이다.
· 버퍼 탱크는 반응기를 작동하지 않고 엔진을 시동하는 것을 허용한다. 따라서 연료 업그레이드 반응기의 시동(가열), 즉 운송수단의 배터리를 사용하지 않고 시동을 위해 전기를 생성하기 위해 엔진을 사용할 수도 있다.
· 전기 히터를 사용하는 탈수 반응의 효율적이고 용이한 제어 및 반응기를 통한 흐름의 조절.
본 발명을 다음의 작업 실시예에 의해 더 예시한다.
실시예
촉매 베드를 함유하는 반응기는 220℃의 입구 온도 및 60 바아의 압력하에 작동된다. 1차 연료는 습식 에탄올(5 wt% 물)이고, 연료 흐름은 본 발명 촉매 질량으로 70%의 변환률에 달하도록 조절된다. 1차 연료는 대략 20℃에서 1차 연료 탱크를 나가고 열교환기를 통과하는데, 이것은 1차 연료를 220℃까지 예열하기 위해 설계된다(이 단계에서 전기 시동 히터가 필요 없다). 고온 1차 연료는 촉매 베드를 통과하고, 이로써 에탄올의 70%가 디에틸에테르로 변환된다. 반응은 발열이고, OBATE 연료 혼합물은 236℃의 온도에 달한다. 그것의 열교환기를 통한 후속 통과의 동안에 연료 혼합물은 대략 50℃로 냉각된다. OBATE 스트림의 압력은 약 5 바아로 감소되고 약간의 윤활 매질이 버퍼 탱크에 혼합물의 저장에 앞서 첨가된다.

Claims (9)

  1. 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도 및 선박 용도를 위한 운송수단용 연료의 제조방법을 수행하기 위한 장치로서, 상기 장치는
    · 1차 탱크로부터 알코올 함유 연료를 위한 입구,
    · 촉매 베드 또는 대안으로 열교환기의 하류의 흐름을 초기에 가열하는 시동 히터,
    · 냉 알코올(들)을 반응에 앞서 적당한 온도로 가열하는 열교환기,
    · 반응기,
    · 알코올(들)이 에테르(들) 및 물로 부분적으로 변환되는 반응기 내의 촉매 베드,
    · 압력 감소 밸브,
    · 첨가제를 가하는 입구 수단 및
    · 알코올(들), 에테르(들) 및 물의 결과된 연료 혼합물이 적당한 냉각을 위해 열교환기를 통해 다시 통과한 후 저장되는 버퍼 탱크를 포함하며,
    히터는 단지 시동 동안에 사용되고 방법은 이로써 자열 운전 조건 하에 행해지고, 1차 연료 및 결과되는 연료 혼합물은 둘다 상기 장치에서 액상으로 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 촉매 베드는 반응기에서 고정 베드로서 배치된 알코올 탈수 촉매인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 버퍼 탱크는 엔진 연료 분사 시스템으로의 연료 출구 및 상기 엔진 연료 분사 시스템으로부터의 재순환 연료 입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 모든 포함된 구성부품이 적어도 하나의 지지판에 장착된 소형 설계인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 운송수단 엔진에 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기에서 연료의 온도는 180℃- 260℃의 범위이고 반응기에서 연료의 압력은 30-90 바아인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따르는 장치에서 알코올 함유 1차 연료의 알코올(들)의 대응하는 에테르(들)로의 촉매 액상 변환에 의한 자동차 용도 및 선박 용도를 위한 운송수단용 연료의 제조방법으로서, 상기 방법은
    (i) 알코올(들)의 열교환기의 통과에 의한 알맞는 가열 단계,
    (j) 가열된 알코올(들)을 조절된 온도하에 제어된 유량으로 촉매 베드를 통과시킴에 의해 처리하여, 이로써 알코올(들)이 대응하는 에테르(들)로 부분적으로 변환되어, 알코올(들) 및 에테르(들)을 원하는 비율로 함유하고 또한 물을 함유하는 연료 혼합물을 가져오는 단계,
    (k) 알코올(들) 및 에테르(들)의 결과된 물 함유 혼합물을 1차 연료 흐름의 반대 방향으로 상기 열교환기를 통하여 통과시킴으로써 냉각시키는 단계, 그리고
    (l) 선택적으로 혼합물에 선택된 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하며,
    이로써 자열 운전 조건 하에 알코올(들) 및 에테르(들)의 물 함유 연료 혼합물을 얻으며, 상기 연료 혼합물은 주어진 용도에 특이적인 특징을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 알코올은 에탄올이고 에테르는 디에틸에테르인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 알코올은 메탄올이고 에테르는 디메틸에테르인 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020137028085A 2011-04-01 2012-03-20 촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치 KR20140034168A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201100243 2011-04-01
DKPA201100243 2011-04-01
US13/269,384 2011-10-07
US13/269,384 US20120247002A1 (en) 2011-04-01 2011-10-07 process for preparing a fuel for automotive applications, stationary engines and marine applications by catalytic liquid phase alcohol conversion and a compact device for carrying out the process
PCT/EP2012/001222 WO2012130407A1 (en) 2011-04-01 2012-03-20 A process for preparing a fuel for automotive applications, stationary engines and marine applications by catalytic liquid phase alcohol conversion and a compact device for carrying out the process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140034168A true KR20140034168A (ko) 2014-03-19

Family

ID=46925386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137028085A KR20140034168A (ko) 2011-04-01 2012-03-20 촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20120247002A1 (ko)
EP (1) EP2694627A1 (ko)
JP (1) JP2014522418A (ko)
KR (1) KR20140034168A (ko)
CN (1) CN103797096A (ko)
BR (1) BR112013024799A2 (ko)
CA (1) CA2831806A1 (ko)
CL (1) CL2013002827A1 (ko)
IL (1) IL228562A0 (ko)
MX (1) MX2013011377A (ko)
WO (1) WO2012130407A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2015249640B2 (en) * 2014-04-23 2019-05-23 Pinliang Fan Fuel control systems for operating gasoline engines based on ethanol-water-hydrogen mixture fuels
EP3218451B1 (en) * 2014-11-14 2020-01-01 Volvo Truck Corporation Cartridge for mixing dme fuel with additives
EP4155515A4 (en) 2020-05-18 2024-07-10 Fca Fiat Chrysler Automoveis Brasil Ltda INTEGRATED AUTOMOTIVE REFORMER AND CATALYST AND FUEL REFORMING PROCESS
US12078115B1 (en) * 2023-06-20 2024-09-03 Caterpillar Inc. Systems and methods for pilot fuel synthesis using engine waste heat

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ZW28380A1 (en) 1979-12-27 1981-07-22 Aeci Ltd A device for converting alcohols to ethers
US4892561A (en) 1982-08-11 1990-01-09 Levine Irving E Methyl ether fuels for internal combustion engines
US4876989A (en) 1988-05-10 1989-10-31 Technology Development Associates, Inc. Enhanced performance of alcohol fueled engine during cold conditions
EP0419743A1 (en) 1989-09-29 1991-04-03 Her Majesty The Queen In Right Of New Zealand Fuel supply and control system for compression ignition engines
US5906664A (en) 1994-08-12 1999-05-25 Amoco Corporation Fuels for diesel engines
CN1127557C (zh) * 1999-07-01 2003-11-12 霍尔多托普索埃公司 醇连续脱水制备用于柴油发动机燃料的醚和水
EP1106803B1 (en) 1999-12-10 2006-05-03 Haldor Topsoe A/S Method of operating a compression ignition engine
US6924399B2 (en) * 2001-12-28 2005-08-02 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Method of manufacturing dimethyl ether
JP2006226172A (ja) 2005-02-17 2006-08-31 Honda Motor Co Ltd 圧縮着火内燃機関の制御方法
JP4789116B2 (ja) 2007-05-17 2011-10-12 本田技研工業株式会社 内燃機関用エタノール燃料改質システム
EP2167452A1 (en) 2007-06-25 2010-03-31 Mcneff Research Consultants, Inc. Catalysts, systems and methods for ether synthesis
DE102008032253B4 (de) 2008-07-09 2013-05-29 Man Truck & Bus Ag Selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit Ether-Fumigation der Verbrennungsluft für Fahrzeuge und Verfahren zur Ether-Fumigation der Verbrennungsluft in einer selbstzündenden Verbrennungsmaschine für Fahrzeuge
CN201358217Y (zh) * 2009-01-06 2009-12-09 华东理工大学 甲醇在加压条件下气相脱水生成二甲醚的反应器

Also Published As

Publication number Publication date
BR112013024799A2 (pt) 2016-12-20
EP2694627A1 (en) 2014-02-12
US20120247002A1 (en) 2012-10-04
CA2831806A1 (en) 2012-10-04
WO2012130407A1 (en) 2012-10-04
CN103797096A (zh) 2014-05-14
CL2013002827A1 (es) 2014-08-18
MX2013011377A (es) 2014-04-30
JP2014522418A (ja) 2014-09-04
IL228562A0 (en) 2013-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2553239B1 (en) Method and system for operating a compression ignition engine on alcohol containing primary fuels
CA1327878C (en) Enhanced performance of alcohol fueled engine during cold conditions
CN102947571B (zh) 运行压燃式发动机的方法和系统
CN106168161B (zh) 一种内燃发动机及控制这种内燃发动机的方法
RU2205861C1 (ru) Непрерывная дегидратация спирта до простого эфира и воды, применяемых как топливо для дизельных двигателей
US20060059897A1 (en) Internal combustion engine fuel supply system
JP7389753B2 (ja) 自動車内燃機関用燃料の車上改質による水素の生産量を増加させるための水注入
WO2013043479A1 (en) Fuel performance booster
US10876472B1 (en) Spark-ignited internal combustion engine modified for multi-fuel operation
CN101289957A (zh) 随行制氢发动机燃料系统及其装置
KR20140034168A (ko) 촉매 액상 알코올 변환에 의한 자동차 용도, 정지형 엔진 및 선박 용도를 위한 연료의 제조방법 및 방법을 수행하기 위한 소형 장치
CN101270709A (zh) 随行制氢发动机燃料系统
CN101302962A (zh) 移动制氢发动机燃料系统及其装置
Specchia et al. Modeling study on the performance of an integrated APU fed with hydrocarbon fuels
US8955468B2 (en) Method and system for operating a compression ignition engine on alcohol containing fuels
JP2018053870A (ja) 燃料改質エンジンシステム及びその運転方法
US4408571A (en) Methane cold starter in alcohol fuel treatment and distribution method
CN116641816A (zh) 带有燃料重整器和蒸馏器组件的内燃发动机
JP2008144730A (ja) パワーソースの燃料供給システム及びパワーソースへの燃料供給方法
Derntl et al. Thermo Chemical Recuperation of diesel exhaust gas
Motohashi et al. Development of an Ultra Compact CPOX Reactor for Diesel Fuel

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid