PT949968E

PT949968E - Composicao catalitica que melhora a combustao do carburante e processos de formulacao e de utilizacao dessa composicao

Info

Publication number: PT949968E
Application number: PT96945290T
Authority: PT
Inventors: Lloyd Lack
Original assignee: Robco Internat Corp
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 2001-11-30
Also published as: PL186425B1; WO1997037764A1; DE69614411D1; AU722255B2; GR3036588T3; CA2268482C; US5823758A; NZ334795A; PL332635A1; ES2160856T3; UA51740C2; DK0949968T3; EP0949968B1; DE69614411T2; EP0949968A1; AU1469797A; EP0949968A4; RU2178338C2; CA2268482A1; BR9607825A

Description

- 1 -DESCRIÇÃO

*-A

"COMPOSIÇÃO CATALÍTICA QUE MELHORA A COMBUSTÃO DO CARBURANTE E PROCESSOS DE FORMULAÇÃO E DE UTILIZAÇÃO DESSA COMPOSIÇÃO" O invento relaciona-se com uma composição catalítica que melhora a combustão de carburante, e os métodos de formulação e utilização dos mesmos. Particularmente, o invento relaciona-se com um aditivo catalítico que é combinado com carburante tal como LPG, gasolina e carburante diesel, de modo a que os carburantes entrem em combustão com maior eficácia e com menos emissões poluentes, e com métodos de formulação e de utilização do aditivo. O requerente tinha vendido previamente um aditivo que aumentava a combustão particularmente útil em sistemas de combustão LPG carburados para motores de combustão interna, tal como os mecanismos de empilhadeira de forquilha etc., aditivo esse que é conhecido pela marca comercial CGX-4®. Esse produto compreende uma mistura de um lubrificante a alta temperatura, tal como óleo de topo de ponto de inflamação elevado, pelo menos um detergente ou surfactante, e pelo menos um emulsificador, incluindo um solvente polar tal como um ou mais álcoois, num veículo orgânico apropriado tal como solvente de Stoddard. A Patente dos E.U.A. No. 5 266 082 descreve uma composição aditiva de carburante para um carburante hidrocarboneto. O aditivo compreende uma fracção hidrocarboneto. com um ponto de ebulição na gama de querosene, um componente aromático bicíclico, óxido de zinco, um óxido de metal escolhido

-2- de entre óxido de ferro, óxido de cobre, óxido de ruténio, óxido de ósmio e óxido de paládio e farultativamente óxido dc magnésiu. O invento consiste numa melhoria de CGX-4® que permite que o carburante seja mais completamente oxidado durante combustão em comparação com CGX-4® a fim de melhorar o rendimento energético e diminuir emissões de monóxido de carbono, partículas, hidrocarbonetos não queimados etc., e permite que a combustão seja realizada de um modo estável a temperaturas mais baixas, desse modo reduzindo emissões de óxidos de azoto (NOx).

Num primeiro aspecto, o presente invento proporciona uma composição para melhorar a combustão de carburante LPG, compreendendo pelo menos um catalisador óxido de metal num veículo orgânico que é compatível com o carburante LPG; o referido catalisador de óxido de metal é uma mistura de óxido de crómio (Cr203) e óxido de cobalto (CO3O4); e compreendendo o referido veículo orgânico principalmente solvente de Stoddard, assim como um emulsificador para manter o catalisador óxido de metal disperso em solvente de Stoddard no carburante LPG quando lhe seja adicionado.

Num segundo aspecto, o presente invento proporciona uma mistura combustível de carburante LPG e uma dispersão de um catalisador óxido de metal num veículo orgânico líquido compatível com o carburante LPG; compreendendo o referido catalisador óxido de metal pelo menos um membro de entre o grupo consistindo num óxido de metal terroso alcalino e num óxido de metal de transição; e compreendendo o referido veículo orgânico líquido principalmente solvente de Stoddard, assim como um emulsificador para manter o catalisador óxido de metal disperso no solvente de Stoddard e no carburante LPG.

,η -3- A composição de preferência também inclui um surfactante, um cmulsificauui tal υυιιιυ um soivenie orgânico polar, e um lubrificante a elevada temperatura. A função óxido(s) de metal como um catalisador para a combustão do carburante hidrocarboneto, e quando adicionado mesmo em quantidades muito pequenos, por exemplo, 1-50 ppm, são eficazes para se conseguir uma oxidação substancialmente completa do carburante, e para redução de emissões poluentes associadas a oxidação incompleta. A combustão catalítica do carburante hidrocarboneto com óxido(s) de metal de acordo com o invento apresenta uma inércia térmica grande a ela associada, em que o limite inferior da estabilidade da chama para a combustão se apresenta diminuído, permitindo temperaturas de combustão mais baixas a ser usadas e minitnização da formação de emissões de NOx.

Num terceiro aspecto, o presente invento proporciona um método de combustão de carburante LPG de combustão, compreendendo os passos de: combinação do carburante LPG com uma dispersão de catalisador óxido de metal num veículo orgânico líquido compatível com o carburante LPG; e combustão do carburante LPG e dispersão a uma temperatura inferior a 1.500° C; compreendendo o referido catalisador óxido de metal pelo menos um membro seleccionado de entre o grupo consistindo em óxido de metal terroso alcalino e um óxido de metal de transição; e compreendendo o referido veículo orgânico principalmente solvente de Stoddard e um emulsificador a fim de manter o catalisador óxido de metal disperso no solvente de Stoddard e no carburante LPG. É preferível que uma dispersão catalítica inclua um surfactante, um -4- -4-

solvente orgânico polar, e um lubrificante a alta temperatura quando o processo de combustão ó um processo ds combusíau carburado num motor de combustão interna.

Um objectivo do invento consiste em proporcionar um aditivo catalítico que melhore a combustão para carburantes hidrocarbonetos tais como LPG, gasolina e carburante diesel que permita que uma oxidação substancialmente completa do carburante seja atingida mesmo quando o carburante contenha quantidades significativas de impurezas tais como água livre, propileno, hidrocarbonetos de cadeia longa, etc.

Outro objectivo consiste em proporcionar um aditivo que melhore a combustão para carburantes hidrocarbonetos o qual reduza ou elimine de um modo substancial emissões poluentes normalmente causadas por oxidação incompleta, reduzindo-se entretanto emissões de NOx.

Um outro objectivo consiste em proporcionar um aditivo que aumente a combustão que possa ser rapidamente e economicamente fabricado e combinado com carburantes hidrocarbonetos.

Um outro objectivo consiste em proporcionar um método de combustão de carburante hidrocarboneto juntamente com um aditivo que aumente a combustão a fim de reduzir emissões poluentes relacionadas com oxidação completa, e para reduzir a formação e emissão de NOx. O catalisador que aumenta a combustão de carburante de acordo com o invento compreende pelo menos um óxido de metal, e pelo menos um óxido de metal ou um óxido de metal de transição incluindo óxido de crómio, óxido de magnésio, óxido de manganésio, óxido de cobalto, óxido de ferro, e

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suas misturas. Estes óxidos de metal são muito eficazes para utilização como

α couibustaO uc carburante visto que os compostos não somente promovem uma oxidação total de hidrocarbonetos, e permitem também que o processo de combustão seja realizado a temperaturas mais baixas que não são favoráveis para a formação de NOx, e apresentam boa estabilidade térmica. O processo de oxidação em combustão de chama convencional de um carburante tal como LPG é uma reacção homogénea que tem lugar numa fase de gás de massa. Através da introdução de um catalisador no processo de combustão, também tem lugar uma oxidação heterogénea sobre a superfície do catalisador. Pela escolha de um catalisador apropriado é possível reduzir a energia de activação necessária para a reacção catalítica heterogénea até um nível muito mais baixo do que o requerido para combustão puramente homogénea. Por exemplo, para inflamação de combustão de carburante hidrocarboneto leve tal como propano, a energia de activação para a reacção de oxidação homogénea não catalisada é de aproximadamente 105-210 KJ/g-mole (25-50 Kcal/g-mole), mas para a reacção de oxidação catalítica heterogénea é de aproximadamente 46-63 KJ/g-mole (11-15 Kcal/g-mole). Taxas apreciáveis de oxidação heterogénea (catalítica) podem ser conseguidas para temperaturas e concentrações de carburantes muito mais baixas do que as requeridas para que as reacções homogéneas (não catalíticas) se realizem.

Num aparelho de combustão catalítico, a reacção na parte inicial da camada de combustão é principalmente catalítica e a taxa é controlada pela taxa da reacção superficial. A medida que a reacção catalítica aumenta, a temperatura do gás e da superfície e a taxa de reacção superficial constante (que aumenta exponencialmente com a temperatura) toma-se rapidamente tão elevada que a taxa de transporte de reagentes para a superfície do catalisador se toma o factor de controlo para a reacção catalítica. Em seguida, a taxa de reacção heterogénea global c controlada pela taxa Jc Uausferência de massa para a superfície do catalisador. A taxa de libertação de energia no regime controlado de transferência de massa é tipicamente de ordem de grandeza mais pequena do que a que se pode obter nas chamas (não catalíticas). A temperaturas suficientemente elevadas que são rapidamente realizadas no processo de combustão, reacções homogéneas são iniciadas para além das reacções catalíticas heterogéneas, e a combustão então fica rapidamente completa e são conseguidas taxas de libertação de energia comparáveis às das chamas convencionais.

Quando se utiliza uma dispersão com catalisador óxido de metal de acordo com o invento, é possível conduzir combustão de carburantes hidrocarbonetos tais como LPG, gasolina, carburante diesel e óleo combustível a temperaturas de entrada suficientemente baixas e com racios de equivalência pobres (baixos) de modo a que a combustão resultante e as temperaturas de saida das emissões a partir do processo de combustão sejam suficientemente baixas para que a formação de NOx seja minimizada, e ainda para que a combustão fique quase completa a 100% e assim haja menos emissões a partir dessa combustão em relação a oxidação incompleta.

Usando uma câmara de combustão catalítica experimental, os óxidos do metal terroso alcalino magnésio e dos metais de transição crómio, manganésio, cobalto, ferro e suas combinações proporcionaram os resultados catalíticos óptimos. O catalisador mais activo de entre estes foi uma mistura binária de óxido de crómio e de óxido de cobalto (Cr203-C0304) que deu origem a uma completa conversão/oxidação de misturas de carburante muito fracas de LPG e um racio equivalente de 0,196 às temperatura de entrada baixas inferiores a 850° C. Verificou-se também que esta mistura catalisadora era apropriada para operação numa ampla gama de racios de equivalência e de temperaturas de -7-

entrada na combustão de LPG; enquanto que o índice de emissão de NOx para a combustão dc LPG asando csia calaiisador nunca excedeu 0,11 mg/kg de carburante. Esse índice de emissão é significativamente mais pequeno (uma ordem de grandeza mais pequena) do que o que é obtido em sistemas convencionais de combustão de LPG, incluindo os que utilizam o anterior aditivo que melhora a combustão do requerente.

Usando os óxidos discutidos de metais terrosos alcalinos e metais de transição, a combustão ficou completa nalguns casos e incompleta noutros. Nos casos em que a combustão foi realizada, os níveis de emissão de NOx, monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados foram muito baixos. As concentrações de monóxido de carbono e de hidrocarboneto não queimado foram tão baixas que não deram qualquer leitura no teste de cromatografia de gás, e o índice de emissão de NOx situou-se sempre abaixo de 0,11 mg/kg de carburante.

Quando a combustão ficou incompleta, tipicamente devido a operação sob controlo/limitações cinéticas ou de transferência de massa, o principal poluente foram hidrocarbonetos não queimados. Baixos níveis de monóxido de carbono foram observados nalguns casos em que as temperaturas de saída eram elevadas e a combustão era incompleta. Os níveis de emissão de NOx foram sempre muito baixos e verificou-se serem fortemente dependentes da temperatura, mas não excederam 0,11 mg/kg de carburante. A fim de combinar os catalisadores de óxido de metal com os carburantes hidrocarbonetos, os catalisadores são inicialmente dispersos num meio orgânico apropriado que seja compatível com o carburante hidrocarboneto. Para carburante LPG, os catalisadores óxido de metal são dispersos num solvente Stoddard, e de preferência em solvente(s) Stoddard juntamente com um lubrificante a temperatura elevada, um detergente ou surfactante, e um solvente -8- -8-

Γ molecular polar tal como um álcool. Apenas quantidades muito pequenas dos catalisadores óxido de meta! são necessárias para sc conseguã uuici cundições de combustão óptimas. Se os catalisadores óxido de metal forem adicionados numa proporção de 1-50 ppm, e de preferência 10-30 ppm, ao carburante hidrocarboneto, então oxidação/combustão completa ou substancialmente completa dos carburantes poderá ser conseguida com temperaturas de entrada baixas e racios de equivalência baixos, em que a emisão de monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados, partículas, e NOx está reduzida e em que o rendimento energético para uma determinada quantidade de carburante está aumentado. Pós finos dos óxidos de metal são dispersos num solvente Stoddard. Quando os pós de óxido de metal são dispersos em CGX-4®, o detergente/surfactante e/ou o solvente molecular polar nele existentes também ajudam a manter o pó de óxido de metal apropriadamente disperso no meio orgânico. Por exemplo, uma dispersão do(s) catalisador(es) de óxido de metal contendo 0,5-5 por cento em peso de pó de óxido de metal num solvente Stoddard pode ser adicionada a CGX-4® num racio de 3-5 volumes por cento da dispersão a 95-97 volumes por cento de CGX-4®, para se conseguir obter as características de combustão acima discutidas. O aditivo que melhora a combustão catalítica, modificada, é então combinado com carburantes hidrocarbonetos tais como LPG num racio de (0,01-0,05 litro(s))/37,58 litro(s) (0,5-2,0 onças/10,0 gal). Embora possam ser adicionadas concentrações mais elevadas do(s) catalisador(es) de óxidos metálicos, isso não irá melhorar as características da combustão, e pelo contrário tomarão a produção de aditivo catalítico mais cara. O aditivo é miscível e compatível com carburante LPG, e é facilmente combinado simplesmente vertendo uma quantidade apropriada do aditivo para um tanque do carburante LPG, por exemplo, vertendo 28,4 g (1 onça) num tanque de 37-58 litro(s) (10 galões), vertendo um tambor de 206 litro(s) (55 galões) para um tanque de 263.060 litro(s) (70.000 galões), etc. -9- O adiiivo de acordo com o invento é particularmente eficaz quando usado em relação a um sistema carburante LPG carburado para um motor de combustão interna. O aditivo é também eficaz para utilização em relação a outros carburantes tais como a gasolina, carburante diesel, óleo combustível, etc. e noutros tipos de sistemas de combustão tais como sistemas de combustão não carburados.

Lisboa, 20 de Agosto de 2001

ALBERTO CANELAS Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 *. 1200 LISBOA

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Uma composição para melhorar a combustão de carburante LPG, compreendendo pelo menos um catalisador óxido de metal disperso num veículo orgânico que é compatível com o carburante LPG: sendo o referido catalisador óxido de metal uma mistura de óxido de crómio (Cr203) e de óxido de cobalto (CO3O4); e compreendendo 0 referido veículo orgânico principalmente solvente de Stoddard, assim como um emulsificador a fim de manter o catalisador óxido de metal disperso no solvente de Stoddard e no carburante LPG quando lhe é adicionado.
2. Uma composição de acordo com a reivindicação 1, em que o referido catalisador óxido de metal é combinado com o referido carburante LPG a uma racio de 1-50 ppm.
3. Uma composição de acordo com a reivindicação 1, em que o referido catalisador óxido de metal é disperso no referido veículo orgânico líquido a um racio < 1,0 % em peso.
4. Uma composição de acordo com a reivindicação 1, em que o referido veículo orgânico líquido compreende ainda pelo menos um lubrificante a elevada temperatura e um surfactante.
5. Uma composição de acordo com a reivindicação 4, em que 0 referido veículo orgânico líquido compreende um óleo de topo tendo um ponto de ignição de pelo menos 204° C (400° F) como 0 referido lubrificante a elevada temperatura. -2- õ.
Uma composição de acordo com a reivindicação 1, em que o referido catalisador de óxido de metal é combinado com o referido carburante LPG a um racio de 10-30 ppm.
7. Uma composição de acordo com a reivindicação 1, em que a referida composição é combinada com o referido carburante LPG numa quantidade suficiente para se conseguir um índice de emissão de NOx para combustão do carburante LPG < 0,11 mg/kg de LPG.
8. Uma mistura combustível de carburante LPG e uma dispersão de um catalisador óxido de metal num veículo orgânico líquido compatível com o carburante LPG; compreendendo o referido catalisador óxido de metal pelo menos um membro de entre o grupo consistindo num óxido de metal terroso alcalino e um óxido de metal de transição; e compreendendo o referido veículo orgânico líquido principalmente solvente de Stoddard, assim como um emulsificador para manter o catalisador óxido de metal disperso no solvente de Stoddard e no carburante LPG.
9. Uma mistura combustível de acordo com a reivindicação 8, em que: o referido veículo orgânico líquido compreende 3-5 volumes por cento de um lubrificante de alta temperatura, 3-5 volumes por cento de um surfactante, 1-3 volumes por cento do referido emulsificador, e um equilíbrio do referido solvente de Stoddard.
10. Um método de combustão de carburante LPG, compreendendo os passos de: -3- combinação do carburante LPG com uma dispersão de um catalisador óxido de metal num veículo orgânico líquido compatível com o carburante LPG; e combustão do carburante LPG e dispersão a uma temperatura abaixo de 1.500° C; compreendendo o referido catalisador de óxido de metal pelo menos um membro seleccionado de entre o grupo consistindo num óxido de metal terroso alcalino e um óxido de metal de transição; e compreendendo o referido veículo orgânico principalmente solvente de Stoddard e um emulsificador para manter o catalisador óxido de metal disperso no solvente de Stoddard e no carburante LPG. Lisboa, 20 de Agosto de 2001 ALBERTO CANELAS Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOA