MX2010012143A - Composicion de gasolina oxigenada que tiene buen desempeño de capacidad de conduccion. - Google Patents

Abstract

Un método para producir una mezcla de gasolina con una alta concentración de un isómero de butanol, que tiene un buen desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento.

Description

COMPOSICION DE GASOLINA OXIGENADA QUE TIENE BUEN DESEMPEÑO DE CAPACIDAD DE CONDUCCION DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a combustibles, ~ más particularmente, a gasolinas oxigenadas que incluyen gasolinas que contienen una alta concentración de butanol. Esta invención proporciona una gasolina oxigenada que tiene un buen desempeño de capacidad de conducción.

Las gasolinas son combustibles que resultan adecuados para usar en motores de ignición por chispa y que, generalmente, contienen como componente primario una mezcla de varios hidrocarburos que tienen diferentes puntos de ebullición y, típicamente, hierven a una temperatura dentro del intervalo de aproximadamente 26 °C (79 °F) a aproximadamente 225 °C (437 °F) bajo presión atmosférica. Este intervalo es aproximado y puede variar en función de la mezcla real de moléculas de hidrocarburos presentes, aditivos u otros compuestos presentes (si los hay) , y las condiciones ambientales. Usualmente, el componente hidrocarburo de gasolinas contiene hidrocarburos de C4 a Ci0.

Usualmente, se requiere que las gasolinas satisfagan ciertos estándares físicos y de rendimiento. Algunas características pueden implementarse para la operación apropiada de motores u otros aparatos de combustión de Ref . ¡214084 combustible. Sin embargo, muchas características físicas y de desempeño son establecidas por las regulaciones regionales o nacionales por otras razones, tales como manejo ambiental. Los ejemplos de características físicas incluyen presión de vapor Reid, contenido, de azufre, contenido de oxígeno, contenido de hidrocarburo aromático, contenido de benceno, contenido de olefina, temperatura a la cual se destila el 90 por ciento del combustible (T90) , temperatura a la cual se destila el 50 por ciento del combustible (T50) y otros. Las características de desempeño pueden incluir el octanaje, las propiedades de combustión y los componentes de emisión.

Por ejemplo, los estándares correspondientes a las gasolinas para la venta en gran parte de los Estados Unidos están expuestos, generalmente, en la norma ASTM, especificación número D 4814-07a ("ASTM D4814"), que queda incorporada como referencia en la presente descripción. Las regulaciones estatales y federales adicionales, complementan este estándar. Las especificaciones correspondientes a las gasolinas expuestas en la ASTM D4814 varían basadas en un número de parámetros que afectan la volatilidad y la combustión, tales como el clima, la estación, la ubicación geográfica y la altitud. Por esta razón, las gasolinas producidas de acuerdo con la ASTM D4814 se descomponen en categorías de volatilidad AA, A, B, C, D y E, y categorías de protección de traba de vapor 1, 2, 3, 4, 5 y 6; cada categoría tiene una serie de especificaciones que describen gasolinas que satisfacen los requerimientos de las clases respectivas. Esta especificación también establece los métodos de prueba para determinar los parámetros en la especificación.

Por, ejemplo, una gasolina clase AA-2 mezclada para usar durante la temporada de manejo de verano en climas relativamente cálidos debe tener una presión de vapor máxima de 5483.9 kg/m2 (7.8 psi), una temperatura máxima de destilación de 10 por ciento del volumen de sus componentes ("TIO") de 70 °C (158 °F) , un intervalo de temperatura de destilación del 50 por ciento del volumen de sus componentes ("T50") de 77 °C (170 °F) a 116 °C (240 °F) , una temperatura máxima de destilación del 90 por ciento del volumen de sus componentes ("T90") de 190 °C (374 °F) , un punto extremo de destilación de 225 °C (437 °F) , un residuo máximo de destilación de 2 por ciento en volumen, y una temperatura máxima del índice de capacidad de conducción o "DI" de 677 °C (1250 °F) . En particular, cuando una mezcla de gasolina contiene etanol , la norma ASTM D4814. usa una combinación lineal de temperaturas de destilación D86 y concentración de etanol para calcular el índice de capacidad de conducción (DI, por sus siglas en inglés) de la siguiente manera: DI = 1.5 (TIO) + 3(T50) + T90 + 2.4 (etanol vol . %) Ecuación (A) Sin embargo, los experimentos de control han indicado que el desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento puede resultar problemático para las mezclas de gasolina que contienen una alta concentración de butanol . También se ha comprobado que los métodos existentes para predecir el desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento con los parámetros de volatilidad del combustible, tales como el índice de capacidad de conducción (DI) , no son eficaces para las mezclas con alta concentración butanol.

La presente invención es un método para producir una mezcla de gasolina con una alta concentración de butanol que tiene un buen desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento; el método comprende: a) formar una mezcla de alta concentración de por lo menos un isómero de butanol y por lo menos una reserva de mezcla de gasolina; y b) mantener por lo menos 35 por ciento en volumen de la fracción de volumen de la mezcla de gasolina resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) . La mezcla que se forma de acuerdo con el método de esta invención contiene, preferentemente, por lo menos aproximadamente 20 por ciento en volumen, con mayor preferencia, por lo menos aproximadamente 30 por ciento en volumen y, con la máxima preferencia, por lo menos aproximadamente 40 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol . Preferentemente, ese por lo menos un isómero de butanol en la mezcla de gasolina formada de acuerdo con el método de esta invención comprende isobutanol . La presente invención también es la mezcla de gasolina resultante que se forma por el método de esta invención.

Las gasolinas son conocidas en la técnica y, generalmente, contienen como componente primario una mezcla de hidrocarburos que tienen puntos de ebullición diferentes y, típicamente, hierven a una temperatura dentro del intervalo de aproximadamente 26 °C (79 °F) a aproximadamente 225 °C (437 °F) bajo presión atmosférica. Este intervalo es aproximado y puede variar dependiendo de la mezcla real de moléculas de hidrocarburos presentes, aditivos u otros compuestos presentes (si los hay) , y las condiciones ambientales . Las gasolinas oxigenadas son una mezcla de una reserva de mezcla de gasolina y uno o más oxigenatos .

La reserva de mezcla de gasolina puede producirse a partir de un componente único, tal como el producto de una unidad de alquilación de refinería u otras corrientes de refinería. Sin embargo, las reservas de mezcla de gasolina, comúnmente, se mezclan usando más de un componente. Las reservas de mezcla de gasolina se mezclan para satisfacer las propiedades físicas .y características de desempeño deseadas, así como para satisfacer los requerimientos regulatorios , y pueden involucrar algunos componentes, por ejemplo, tres o cuatro, o muchos componentes, por ejemplo, doce o más.

Las gasolinas y las reservas de mezcla de gasolina, opcionalmente, pueden incluir otros químicos o aditivos. Por ejemplo, los aditivos u otros químicos pueden agregarse para ajustar las propiedades de una gasolina para satisfacer los requerimientos regulatorios, agregar o mejorar las propiedades deseables, reducir los efectos perjudiciales indeseables, ajustar las características de rendimiento, o de otro modo, modificar las características de la gasolina. Los ejemplos de estos químicos o aditivos incluyen detergentes, antioxidantes, mej oradores de la estabilidad, demulsionantes , inhibidores de la corrosión, desactivadores metálicos y otros. Se puede usar más de un. aditivo o químico.

Los aditivos y las sustancias químicas útiles se describen en la patente de los Estados Unidos núm. 5,782,937, otorgada a Colucci et al., que se incorpora como referencia en la presente descripción. Esos aditivos y sustancias químicas también se describen en la patente de los Estados Unidos núm. 6,083,228, otorgada a Wolf, y en la patente de los Estados Unidos núm. 5,755,833, otorgada a Ishida et al., ambas incorporadas como referencia en la presente. Las gasolinas y las reservas de mezcla de gasolina pueden, contener, además solventes o soluciones portadoras que se usan, frecuentemente, para suministrar aditivos a un combustible. Los ejemplos de estos solventes o soluciones portadoras incluyen, pero no se limitan a, aceite mineral, alcoholes, ácidos carboxílieos, aceites sintéticos, y numerosos otros que se conocen en la técnica.

Las reservas de mezcla de gasolina adecuadas para usar en el método de esta invención son, típicamente, reservas de mezcla de gasolina utilizables para preparar gasolinas de consumo en motores de ignición por chispa o en otros motores que queman gasolina. Las reservas de mezcla de gasolina adecuadas incluyen reservas de mezcla para gasolinas que satisfacen la norma ASTM D4814 y reservas de mezcla para gasolina reformulada. Las reservas de mezcla de gasolina adecuadas incluyen, además, reservas de mezcla que tienen bajo contenido de azufre, lo que puede resultar deseable para satisfacer requerimientos regionales, por ejemplo, tener menos de aproximadamente 150, preferentemente, menos de aproximadamente 100 y, con mayor preferencia, menos de aproximadamente 80 partes por millón en volumen de azufre. Estas reservas de mezcla de gasolina adecuadas también incluyen reservas de mezclas que tienen bajo contenido de aromáticos, lo que puede resultar deseable para satisfacer requerimiento regulatorios , por ejemplo, tener menos de aproximadamente 8000 y, preferentemente, menos de aproximadamente 7000 partes por millón en volumen de benceno, o por ejemplo, tener menos de aproximadamente 35 y, preferentemente, menos de aproximadamente 25 por ciento en volumen del total de las especies de aromáticos presentes.

También se puede mezclar un oxigenato, tal como etanol, con la reserva de mezcla de gasolina. En ese caso la mezcla de gasolina resultante incluye una mezcla de una o más reservas de mezcla de gasolina y uno o más oxigenatos adecuados. En otra modalidad se pueden mezclar uno o más isómeros de butanol con una o más reservas de mezcla de gasolina y, opcionalmente , con uno o más oxigenatos adecuados, tales como etanol. En esa modalidad se pueden mezclar una o más reservas de mezcla de gasolina, uno o más isómeros de butanol y, opcionalmente, uno o más oxigenatos adecuados en cualquier orden. Por ejemplo, se puede agregar butanol a una mezcla que incluye una reserva de mezcla de gasolina y oxigenatos adecuados. A modo de otro ejemplo, se pueden agregar uno o más oxigenatos adecuados y un butanol en varias ubicaciones diferentes o en etapas múltiples. En otros ejemplos se puede agregar un butanol, con mayor preferencia, isobutanol, con los oxigenatos adecuados; se puede agregar antes de los oxigenatos adecuados o mezclarlo con ellos antes de agregarlos a una reserva de mezcla de gasolina. En una modalidad preferida, se adiciona un butanol, preferentemente, isobutanol, a la gasolina oxigenada. En otra modalidad preferida, se pueden mezclar uno o más oxigenatos adecuados y un butanol en una reserva de mezcla de gasolina simultáneamente.

En cualquier modalidad se pueden adicionar uno o más butanoles y, opcionalmente, uno o más oxigenatos adecuados en cualquier punto dentro de la cadena de distribución. Por ejemplo, se puede transportar una reserva de mezcla de gasolina a una terminal, y luego se pueden mezclar un butanol y opcionalmente uno o más de los oxigenatos adecuados con la reserva de mezcla de gasolina, en forma individual o conjunta, en la terminal. A modo de otro ejemplo, se pueden combinar en la refinería una o más reservas de mezcla de gasolina, uno o más isómeros de butanol y, opcionalmente, uno o más oxigenatos adecuados. También se pueden agregar otros componentes o aditivos en cualquier punto en la cadena de distribución. Adicionalmente , el método de la presente invención se puede llevar a cabo en un refinería, una terminal, un punto de venta minorista, o cualquier otro punto adecuado de la cadena de distribución .

Dado que los isómeros de butanol entran en ebullición cerca del punto medio del intervalo de ebullición de la gasolina, si se mezcla una concentración relativamente baja de un isómero de butanol con una reserva de mezcla de gasolina, las características de evaporación de la mezcla de gasolina resultante no resultaría significativamente alterada. Como resultado, el desempeño en el arranque en frío y el calentamiento de esas mezclas de gasolina que contienen concentraciones relativamente bajas de un isómero de butanol es prácticamente el mismo que el correspondiente a la mezcla de gasolina que no contiene butanol. Sin embargo, cuando se mezcla un isómero de butanol de concentración relativamente alta con una reserva de mezcla de gasolina, la mezcla de gasolina resultante contiene una fracción amplia, que tiene un único punto de ebullición relativamente alto, y la presencia de esa fracción de ebullición media amplia afecta negativamente las características generales de evaporación de la mezcla de gasolina resultante, especialmente su volatilidad en la etapa inicial. Este cambio en la volatilidad puede impedir que la mezcla de gasolina forme mezclas de aire/combustible inflamables fácilmente en los sistemas de admisión al motor a temperatura ambiente, y así provocar un desempeño deficiente de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento.

Este desempeño deficiente se ilustra en la Figura 1, que incluye el resultado de la prueba de desempeño de capacidad de conducción en seis automóviles con mezclas de gasolina que contienen diversas concentraciones de isobutanol. Las fallas en la capacidad de conducción incluyen problemas tales como tiempos prolongados de puesta en marcha, paradas y salidas repentinas. En la Figura 1, se representan las fallas en la capacidad de conducción expresadas como deméritos ponderados totales (TWD, por sus siglas en inglés) medios con corrección de la temperatura y los efectos sobre los vehículos contra las concentraciones de isobutanol en las mezclas de gasolina sometidas a prueba. Los resultados de la Figura 1 ilustran que las fallas en la capacidad de conducción para las gasolinas que contienen baja concentración de isobutanol son similares a las correspondientes a las mezclas de gasolina que no contienen isobutanol. Sin embargo, las fallas en la capacidad de conducción aumentan significativamente en las mezclas de gasolina que contienen mayores concentraciones de isobutanol.

Los problemas en la capacidad de conducción con una mezcla de gasolina se subsanan, típicamente, mediante un reajuste en la volatilidad de la mezcla usando la combinación lineal de temperaturas de destilación y la concentración de etanol en la ecuación del índice de capacidad de conducción (A) anteriormente mencionada, que describe la volatilidad general de la mezcla de gasolina. Las investigaciones del Coordinating Research Council y otros han demostrado que el índice de capacidad de conducción relaciona correctamente los parámetros de volatilidad del combustible con la capacidad de conducción del vehículo. Dado que las fallas en la capacidad de conducción aumentan previsiblemente con índices de capacidad de conducción crecientes, resulta adecuado establecer las especificaciones de los índices de capacidad de conducción máximos para garantizar una buena capacidad de conducción en las mezclas de gasolina habituales.

Sin embargo, como se ilustra en la Figura 2 y por el valor muy bajo de R2, el índice de capacidad de conducción no describe la relación entre la capacidad de conducción y la volatilidad en las mezclas de gasolina con alta concentración de butanol. En la Figura 2, se grafican los logaritmos de los mismos datos de deméritos ponderados totales (T D) del mismo ensayo con seis automóviles descrito anteriormente contra los índices de capacidad de conducción correspondientes a las mismas mezclas de gasolina- isobutanol con respecto a la Figura 1. Los resultados en la Figura 2 demuestran que el índice de capacidad de conducción no describe la relación entre la volatilidad y la capacidad de conducción de estos combustibles con alta concentración de isobutanol y, por lo tanto, no constituye un medio útil para predecir o controlar el desempeño de la capacidad de conducción de estas mezclas de gasolina.

En cambio, la Figura 3 presenta un gráfico con los mismos logaritmos de los deméritos ponderados totales (TWD) contra la fracción de volumen que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) , representada como E200,. de las mismas mezclas de gasolina- isobutanol empleadas para los gráficos de la Figura 2. El gráfico de la Figura 3 y el valor muy bajo de R2 demuestran una determinación muy precisa de la relación entre la volatilidad y el desempeño de la capacidad de conducción correspondiente a las mezclas de gasolina que contienen altas concentraciones de butanoles.

La Figura 4 contiene un gráfico de los deméritos ponderados totales (TWD) en sí, no de sus logaritmos, contra la fracción de volumen de las mismas mezclas de gasolina-isobutanol empleadas en las Figuras 2 y 3. La Figura 4 y el valor muy bajo de R2 demuestran que cuando el E200 de una mezcla de gasolina que contiene una alta concentración de butanol es de por lo menos 35 por ciento, preferentemente, por lo menos 40 por ciento, y con mayor preferencia, por lo menos 45 por ciento, los deméritos de la capacidad de conducción, representados por TWD, se mantienen en un nivel bajo que prácticamente equivale al de las mezclas de gasolina sin componente de butanol.

Los datos que se emplearon para los gráficos de las Figuras 1-4 se obtuvieron usando dos combustibles base: uno con volatilidad de verano (aproximadamente clase B) y otro con volatilidad de invierno (clase D) . Las mezclas de la prueba incluían concentraciones de butanol de 0, 5, 11, 15, 20, 30, 40, 50 y 60 por ciento en volumen. Los parámetros de volatilidad, que incluyen presión de vapor Reid, destilación D86 y T (V/L=20) se midieron en el laboratorio. Las mezclas de gasolina se probaron para determinar el desempeño de la capacidad de conducción en una flota de seis automóviles último modelo de baja emisión de acuerdo con los procedimientos de la norma industrial CRC E28-94 en una celda de dinamómetro de prueba. Las temperaturas ambiente para las pruebas de capacidad de conducción se encontraban dentro del intervalo de -6.6 °C a 21.1 °C (20 a 70 °F) . También se sometieron a prueba dos mezclas de gasolina de referencia adicionales que no contenían isobutanol : una mezcla se correspondía con las especificaciones ASTM DI de los combustibles clase B (verano) , y la otra representaba las propiedades típicas de las especificaciones ASTM clase D (invierno) . Se llevó a cabo un total de 192 pruebas de capacidad de conducción.

La Figura 5 demuestra el uso del método de esta invención para mejorar el desempeño deficiente de la capacidad de conducción de una mezcla de gasolina que contiene una alta concentración de un butanol. En la Figura 5, se gráfica la fracción evaporada en volumen por ciento de una mezcla de gasolina que contiene 50 por ciento en volumen de isobutanol contra la temperatura a la cual se calienta la mezcla de gasolina. Cuando se reemplaza la mitad de la reserva de mezcla de gasolina original con una nafta catalítica liviana, de manera tal que la mezcla de gasolina modificada resultante contiene 25 por ciento en volumen de la reserva de mezcla de gasolina original empleada, 25 por ciento en volumen de la nafta catalítica liviana y 50 por ciento en volumen de isobutanol, en el gráfico de la fracción evaporada en volumen por ciento contra la temperatura a la cual se calienta la mezcla de gasolina modificada, la fracción evaporada a 93 °C (200 °F) , que es su valor E200, aumenta de aproximadamente 28 por ciento en volumen para la mezcla de gasolina original a aproximadamente 39 por ciento en volumen para la mezcla de gasolina modificada. El desempeño de la capacidad de conducción de la mezcla de gasolina modificada resultante mejora significativamente y resulta prácticamente equivalente al de la gasolina sin componente de butanol. Por ende, la presente invención es un método para producir un mezcla de gasolina que tiene un buen desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento, que comprende a) mezclar una alta concentración, preferentemente, por lo menos 20, con mayor preferencia, por lo menos 30 y, con la máxima preferencia, por lo menos 40 por ciento en volumen, de por lo menos un isómero de butanol que comprende, preferentemente, isobutanol, en la gasolina; y b) mantener de fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) en por lo menos 35, preferentemente, por lo menos 40, con mayor preferencia, por lo menos 45 y, con la máxima preferencia, por lo menos 50 por ciento en volumen. La presente invención también se refiere a la mezcla de gasolina resultante.

Las personas con experiencia en la técnica apreciarán que, si bien la presente invención se ha descrito aquí con referencia a medios, materiales y ejemplos específicos, el alcance de esta invención no se limita a ellos y se extiende a todos los demás medios y materiales adecuados para llevar a cabo la presente invención.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (16)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para producir una mezcla de gasolina que tiene un buen desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento, caracterizado porque comprende : a) mezclar una alta concentración de por lo menos un isómero de butanol en gasolina; y b) mantener la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) en por lo menos 35 por ciento en volumen.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla comprende por lo menos 20 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol .

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la mezcla comprende por lo menos 30 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la mezcla comprende por lo menos 40 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además por lo menos un isómero de butanol comprende isobutanol.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) es por lo menos 40 por ciento en volumen de la mezcla mencionada.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) es por lo menos 45 por ciento en volumen de la mezcla.

8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) es por lo menos 50 por ciento en volumen de la mezcla.

9. Una mezcla de gasolina que tiene un buen desempeño de la capacidad de conducción en el arranque en frío y el calentamiento caracterizada porque comprende: la mezcla de una alta concentración de por lo menos un isómero de butanol en gasolina, y que tiene una fracción de volumen de por lo menos 35 por ciento en volumen que se evapora hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) .

10. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque la mezcla comprende por lo menos 20 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol .

11. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque la mezcla comprende por lo menos 30 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol.

12. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque la mezcla comprende por lo menos 40 por ciento en volumen de por lo menos un isómero de butanol.

13. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque por lo menos un isómero de butanol comprende isobutanol .

14. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) es por lo menos 40 por ciento en volumen de la mezcla resultante .

15. La mezcla de gasolina de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque la fracción de volumen de la mezcla resultante que se evapora a temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) es por lo menos 45 por ciento en volumen de la mezcla resultante .

16. La mezcla de gasolina de conformidad con reivindicación 15, caracterizada porque la fracción volumen de la mezcla resultante que se evapora temperaturas de hasta aproximadamente 93 °C (200 °F) por lo menos 50 por ciento en volumen de la mezc resultante .