BR9811783B1 - emulsão. - Google Patents
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Description
"EMULSÃO"
Campo da invenção
Esta invenção refere-se a emulsões que compreendemlíquidos derivados de Fischer-Tropsch e líquidos de hidrocarbonetos quenão os líquidos de Fischer-Tropsch, p. ex., líquidos de petróleo e água.
Fundamentos da invenção
Emulsões de hidrocarboneto em água são bem conhecidas eservem a uma variedade de utilizações, p. ex., como combustíveis para usinasgeradoras de energia ou motores de combustão interna. Estas emulsões sãogeralmente descritas como macro-emulsões, ou seja, onde a emulsão é turva ouopaca, se comparado com micro-emulsões que são essencialmente transparentes,translúcidas, e mais estáveis termodinamicamente do que as macro-emulsões,sendo que as micro-emulsões possuem um nível maior de tensoativos.
Embora seja sabido que emulsões aquosas de combustívelreduzem poluentes quando queimadas como combustíveis, os processos parase preparar as emulsões e os materiais nelas utilizados, p. ex., os tensoativos eco-solventes, como os álcoois, podem ser dispendiosos. Também, aestabilidade termodinâmica das macro-emulsões é relativamente fraca,particularmente quando se utiliza níveis baixos de tensoativos na preparaçãodas emulsões.
Conseqüentemente, há uma necessidade de se obter macro-emulsões que empreguem menos tensoativos ou co-solventes, e que utilizemmateriais menos dispendiosos na preparação de hidrocarbonetos em emulsões deágua. Adicionalmente, graças à presente invenção, misturas de emulsões decombustíveis destilados de petróleo podem ser elevadas de grau, por exemplo,para um maior índice de cetano, através da misturação com líquidos dehidrocarbonetos derivados de Fischer-Tropsch, p. ex., os destilados.
Para os fins desta invenção, a estabilidade das macro-emulsões égeralmente determinada como o grau de separação que ocorre durante umperíodo de vinte e quatro horas, usualmente o primeiro período de vinte e quatrohoras após se formarem as emulsões.
Sumário da invenção
De acordo com esta invenção, proporciona-se uma mistura deemulsões de destilado que compreende água, um hidrocarboneto de Fischer-Tropsch, um hidrocarboneto que não um hidrocarboneto de Fischer-Tropsch, eum tensoativo em que a quantidade de tensoativo empregada é menor ou igual,de preferência, menor que a quantidade de tensoativo requerida para emulsificarcada hidrocarboneto per se. Assim, ocorre um efeito sinérgico quando destiladosde hidrocarboneto não-Fischer-Tropsch são emulsificados com água na presençade destilados de hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch.
Breve descrição do desenho
A figura 1 é um gráfico da quantidade mínima de tensoativorequerida (ordenada) para emulsificar misturas de destilados de Fischer-Tropsche destilados convencionais de petróleo (abscissa).
Concretizações Preferidas
Graças a esta invenção, prepara-se macro-emulsõesrelativamente estáveis na ausência substancial, p. ex., < 1,0% em peso, ou naausência completa da adição de um co-solvente, p. ex., de álcoois, e, depreferência, na ausência substancial de um co-solvente. Assim, líquidos deFischer-Tropsch podem conter traços de oxigenados, incluindo álcoois, sendoque estes oxigenados têm uma concentração menor nas emulsões do que seria ocaso se um álcool ou outro co-solvente contendo oxigênio fosse adicionado àemulsão. Geralmente, o teor de álcool dos líquidos de Fischer-Tropsch é nulo, nosentido de não ser mensurável, e é geralmente menor do que cerca de 1% empeso, baseado nos líquidos, mais preferivelmente menor do que cerca de 0,1%em peso, baseado nos líquido.
Os líquidos de Fischer-Tropsch utilizados nesta invenção sãoaqueles hidrocarbonetos que são líquidos à temperatura ambiente. Assim, estesmateriais podem ser os líquidos brutos do reator de síntese de hidrocarboneto deFischer-Tropsch, como líquidos C4+, de preferência, líquidos C5+, maispreferivelmente, líquidos contendo hidrocarboneto com C5-Ci 7, ou líquidos deFischer-Tropsch hidroisomerizados, como líquidos C5+. Estes materiais contêmgeralmente pelo menos cerca de 90% em peso de parafinas, normais ouisoparafinas, de preferência, pelo menos cerca de 95% em peso de parafinas, e,mais preferivelmente, pelo menos cerca de 98% em peso de parafinas.
Os hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch podem ser ainda maiscaracterizados como combustíveis: por exemplo, naftas, p. ex., que fervem nafaixa C4 a cerca de 160°C, de preferência, C5 -160°C, emulsões de água quepodem ser usadas como combustíveis de usinas geradoras; combustíveis paratransporte, combustíveis para jatos, p. ex., que fervem a temperaturas na faixa decerca de 121-3010C, de preferência, na faixa de 148-287°C, e combustíveisdiesel, p. ex., que fervem a temperaturas na faixa de cerca de 160-371°C. Outroslíquidos derivados de materiais Fischer-Tropsch e com maiores pontos deebulição também estão incluídos nos materiais utilizados nesta invenção.
Os hidrocarbonetos não-Fischer-Tropsch podem ser obtidos apartir de uma variedade de fontes, p. ex., petróleo, líquidos de xisto (querogênio),líquidos de areia alcatroada (betume), ou líquidos de carvão. Os materiaispreferidos são os hidrocarbonetos derivados de petróleo que fervem nas mesmasfaixas como descrito para os líquidos contendo hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch.
Geralmente, as emulsões contêm menos do que 100% em pesode líquidos contendo hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch ou líquidos contendohidrocarbonetos não Fischer-Tropsch. Contudo, de preferência, os líquidosFischer-Tropsch estão presentes em quantidades de cerca de 10-90% em peso dototal de hidrocarbonetos, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de 20% empeso de líquidos Fischer-Tropsch, ainda mais preferivelmente 25-75% em peso,e ainda mais preferivelmente 40-60% em peso de líquidos de Fischer-Tropsch.As quantidades de água e hidrocarbonetos totais nas emulsõestambém podem variar numa ampla faixa, por exemplo, 90/10hidrocarboneto/água a 10/90 hidrocarboneto/água. De preferência, contudo, oteor de hidrocarboneto será maior do que cerca de 50% em peso, de preferência,maior do que cerca de 60% em peso, mais preferivelmente de 60-85% em peso.
Embora se possa utilizar qualquer quantidade de água, a águaobtida do processo de Fischer-Tropsch, p. ex.,
2nH2 + nCO CnH2n+2 + nH20
é particularmente preferida, a água de processo de um processo NON-SHEFTING/de não deslocamento.
Uma composição genérica de água de processo de fórmula geral,em que os oxigenados montam, de preferência, a < 2,0% em peso, maispreferivelmente menos do que 1% em peso, e que é útil para a preparação deemulsões de hidrocarboneto é mostrada abaixo:
<table>table see original document page 5</column></row><table>
Os materiais derivados de Fischer-Tropsch contêm usualmentepoucos insaturados, p. ex., < 1% em peso, olefmas e aromáticos, de preferência,menos que cerca de 0,5% em peso de aromáticos totais, e enxofre zero enitrogênio, i.e. menos que cerca de 50 ppm em peso de enxofre ou nitrogênio.Também se pode utilizar líquidos de Fischer-Tropsch hidro-tratados que contêmvirtualmente zero ou apenas traços de oxigenados, olefmas, aromáticos, enxofree nitrogênio.
O tensoativo não-iônico é empregado usualmente emquantidades iguais a, ou menores que, a requerida para emulsificar líquidosderivados de petróleo. Assim, a concentração utilizada de tensoativo é suficientepara permitir a formação de uma emulsão macro, relativamente estável. Depreferência, a quantidade empregada de tensoativo é de pelo menos cerca de0,001% em peso da emulsão total, mais preferivelmente, de pelo menos cerca de0,01% em peso, ainda mais preferivelmente de cerca de 0,05 a cerca de 5% empeso, e ainda mais preferivelmente, de 0,05 a menos que 3% em peso, e o maispreferível, de 0,05 a menos que 2% em peso.
Tipicamente, os tensoativos úteis para a preparação das emulsõesdesta invenção são não-iônicos e são aqueles utilizados na preparação deemulsões de petróleo derivadas de materiais derivados de betume, e são bemconhecidos por aqueles versados na arte. Estes tensoativos apresentam um HLBna faixa de cerca de 7-25, de preferência, na faixa de 9-15. Os tensoativos úteispara esta invenção incluem alquilfenóis etoxilados com 5-30 moles de óxido deetileno por molécula, etoxilados de álcool linear, octilfenol etoxilado, etoxiladosde álcool graxo, ácido esteárico etoxilado, etoxilados de álcool de estearila,dialquil fenol etoxilado, e alquil glicosídeos, de preferência, alquil fenóisetoxilados, e, mais preferivelmente, nonilfenóis etoxilados com cerca de 8-15unidades de óxido de etileno por molécula. Um emulsificador particularmentepreferido é um alquil fenóxi poliálcool, p. ex., nonil fenóxi poli(etilenóxi etanol),comercialmente obteníveis de diversas fontes, incluindo o nome comercial Igepol.
O uso de emulsões água-combustível aperfeiçoasignificativamente as características dos combustíveis e isto, de uma formaparticular, relativamente aos materiais desta invenção em que as emulsões deágua de Fischer-Tropsch apresentam características melhores de emissão do queas emulsões derivadas de petróleo, i.e., relativamente a emissões particuladas eNOx.
As emulsões desta invenção são formadas através de tecnologiaconvencional de emulsão, ou seja, submetendo uma mistura de hidrocarboneto,água e tensoativo a suficiente cisalhamento, como em um misturador comercial,ou seu equivalente, durante um período de tempo suficiente para formar asemulsões, p. ex., geralmente alguns segundos. Para maior informação acerca deemulsões, ver geralmente, "Colloidal Systems and Interfaces", S. Ross e I. D.Morrison, J. W. Wiley, NY, 1988.
O processo de Fischer-Tropsch é bem conhecido por aquelesversados na arte, ver, por exemplo, as patentes norte-americanas US 5.348.982 eUS 5.545.674, incorporadas aqui por referência, e envolve tipicamente a reação dehidrogênio e monóxido de carbono numa proporção molar de cerca de 0,5/1 a 4/1,de preferência, 1,5/1 a 2,5/1, a temperaturas de cerca de 175-400°C, depreferência, cerca de 180 - 240°C, a pressões de 1 -100 bar, de preferência, cerca de10-50 bar, na presença de um catalisador de Fischer-Tropsch, geralmente um metalnão-nobre de grupo VTII suportado ou não-suportado, p. ex., Fe, Ni, Ru, Co e comou sem um promotor, p. ex., rutênio, rênio, háfnio, zircônio, titânio. Os suportes,quando utilizados, podem consistir de óxidos de metal refratários, como o grupoIVB, Le., titânia, zircônia, ou sílica, alumina, ou sílica-alumina. Um catalisadorpreferido compreende um catalisador de não-deslocamento, p. ex., cobalto ourutênio, de preferência, cobalto, com rênio ou zircônio como um promotor, depreferência, cobalto/rênio suportado sobre alumina, sílica ou titânia, depreferência, titânia. Os líquidos de Fischer-Tropsch, i.e., C5+, de preferência, CiO+,são recuperados, e gases leves, p. ex., hidrogênio não-reagido e CO, com Cj a C3ou C4 e água, são separados dos hidrocarbonetos.
As condições de hidroisomerização para os hidrocarbonetos deFischer-Tropsch são bem conhecidas por aqueles versados na arte. Geralmente,as condições incluem:
<table>table see original document page 7</column></row><table>O consumo de hidrocarboneto é um resultado das condições.
Os catalisadores úteis na hidroisomerização tem naturezatipicamente bifuncional, contendo uma função ácido e também um componentede hidrogenação. Também se pode adicionar um supressor dehidrocraqueamento. O supressor de hidrocraqueamento pode ser um metal degrupo 1B, p. ex., de preferência, cobre, em quantidades de cerca de 0,1-10% empeso, ou uma fonte de enxofre, ou ambos. A fonte de enxofre pode serproporcionada pré-sulfurando-se o catalisador com processos conhecidos, porexemplo, por meio de tratamento com sulfeto de hidrogênio, até que ocorra otraspassamento.
O componente de hidrogenação pode ser um metal do grupoVIII, um metal nobre ou não-nobre. Os metais não-nobres podem incluir oníquel, cobalto, ou ferro, de preferência, níquel ou cobalto, mais preferivelmenteo cobalto. O metal de grupo VIII está presente usualmente em quantidadescataliticamente efetivas, ou seja, que abrangem de 0,1 a 20% em peso. Depreferência, incorpora-se um metal de grupo VI no catalisador, p. ex.,molibdênio, em quantidades de cerca de 1-20% em peso.
A funcionalidade ácido pode ser fornecida por um suporte com oqual o metal ou os metais catalítico(s), pode(m) ser combinado(s) com processosbem conhecidos. O suporte pode consistir de qualquer óxido refratário oumistura de óxidos refratários ou zeólitos ou suas misturas. Os suportes preferidosincluem a sílica, alumina, fosfatos de sílica-alumina, titânia, zircônia, vanádia eoutros óxidos do grupo III, IV, V ou VI, bem como peneiras Y, como as peneirasY ultra-estáveis. Os suportes preferidos incluem sílica-alumina em que aconcentração de sílica do suporte de volume é menor do que cerca de 50% empeso, de preferência, menor do que cerca de 35% em peso, mais preferivelmentede 15-30% em peso. Quando se utiliza alumina como o suporte, pode-seincorporar pequenas quantidades de cloro ou flúor no suporte para proporcionara funcionalidade ácido.Um catalisador de suporte preferido possui áreas de superfície nafaixa de aproximadamente 180-440 m /g, de preferência, de 230-350 m /g, umadensidade volumétrica de aproximadamente 0,5-1,0 g/ml, e uma resistência aoesmagamento lateral de aproximadamente 0,8 a 3,5 kg/mm.
A preparação de microesferas de sílica-alumina amorfaspreferidas para uso como suportes é descrita em Ryland, Lloyd B., Tamele, M.W., e Wilson, J. N., Cracking Catalysts, Catalysis; volume VII, editor Paul H.Emmett, Reinhold Publishing Corporation, New York, 1960.
Durante a hidroisomerização, a conversão de 3710C+ a -406°Cabrange de aproximadamente 20-80%, de preferência, 30-70%, maispreferivelmente de aproximadamente 40-60%, e essencialmente todas as olefinase produtos oxigenados são hidrogenados.
Os catalisadores podem ser preparados por meio de qualquerprocesso conhecido, p. ex., por meio de impregnação com um sal aquoso, técnicade umidificação incipiente, seguido de secagem a cerca de 125-150°C durante 1-24 horas, calcinação a cerca de 300-500°C durante aproximadamente 1-6 horas,redução por meio de tratamento com um gás de hidrogênio ou um gás contendohidrogênio, e, se desejado, sulfetação por meio de tratamento com um gáscontendo enxofre, p. ex., H2S a temperaturas elevadas. Os catalisadorespossuirão então cerca de 0,01 a 10% em peso de enxofre. Os metais podem sercombinados ou adicionados ao catalisador de maneira serial, ou em qualquerordem, ou por meio de co-impregnação de dois ou mais metais.
Para exemplificar esta invenção foram preparadas diversascombinações de emulsões à temperatura ambiente, embora as temperaturas depreparação possam ficar na faixa de cerca de IO-IOO0C, de preferência, na faixade 15-30°C.
O tensoativo foi primeiramente misturado com água e misturadoem um misturador Waring durante 5 segundos. Em seguida, adicionou-se ohidrocarboneto e isto foi misturado durante um (1) minuto. Não se formandouma emulsão, prosseguiu-se a misturação em seqüências de um (1) minuto,verificando-se a ocorrência de uma emulsão após cada minuto. Não se formandouma emulsão após um total de cinco (5) minutos de tempo de misturação, então aemulsificação não foi bem sucedida.
Utilizamos as seguintes condições:
Tensoativo: Igepol C0-630 (Rhone-Poulenc); nonilfenoletoxilado com 9 moles de EO [unidades oxietileno]
Proporção de água:hidrocarboneto = 30/70Quantidade da mistura: 200 ml
Tipo de água: água potável
Hidrocarbonetos: diesel Fischer-Tropsch (121-371°C de faixa deebulição) descrito abaixo e um combustível de diesel convencional de grau deverão Europeu derivado de petróleo. O diesel Fischer-Tropsch foi preparadoconvertendo-se hidrogênio e monóxido de carbono (H2:CO 2,11-2,16) aparafinas pesadas em um reator de Fischer-Tropsch de calda com um catalisadorde cobalto/rênio suportado sobre titânia descrito na patente U.S. n° 4.568.6.63. Ascondições de reação foram de aproximadamente 218°C e 1987 kPa manomérico.
O alfa foi de 0,92. A cera Fischer-Tropsch, que apresentava predominantemente260°C+, foi hidroisomerizada em um fluxo através de uma unidade de leito fixoutilizando-se um catalisador de cobalto e molibdênio sílica-alumina amorfaconforme descrito na patente US 5.292.989 e patente US 5.378.348. Ascondições de hidroisomerização incluíram 375°C, 5175 kPa manomérico H2,70,79 Nm3ZB H2 e uma velocidade espacial horária líquida (LHSV) [liquidhourly space velocity] de 0,7-0,8. A hidroisomerização foi conduzida comreciclagem da cera de reator a 3710C. A proporção de alimentação combinada(alimentação fresca + alimentação de reciclagem)/alimentação fresca foi de 1:5.
Em seguida, o produto foi fracionado e recuperou-se um diesel com cortenominal de 160-371°C. Este produto continha nenhum enxofre, nitrogênio,aromáticos, oxigênio (oxigenados), e insaturados, e é essencialmente 100%parafínico.
Foram preparados onze testes, sendo que os Testes de 1 a 11,com diesel 100% derivado de petróleo e diesel derivado 100% de Fischer-Tropsch, respectivamente, são mostrados na Tabela I, abaixo.
TABELA I
<table>table see original document page 11</column></row><table>
Estes dados são plotados e mostrados graficamente na figura 1.Com o gráfico fica claro que a concentração mínima de tensoativo paraemulsificar diesel 100% derivado de petróleo foi de 0,75% em peso, enquantoque o tensoativo mínimo requerido para emulsificar hidrocarbonetos 100%Fischer-Tropsch montou a 0,3%. A tabela e a figura 1 mostram claramente quenão foi preciso mais do que 0,3% em peso de tensoativo para emulsificarqualquer combinação de hidrocarbonetos derivados de petróleo e derivados deFischer-Tropsch. No entanto, quanto ao tensoativo requerido para emulsificarqualquer hidrocarboneto, poderíamos esperar que a quantidade requerida detensoativo para emulsificar qualquer mistura dos dois hidrocarbonetos venha asituar-se sobre ou em torno da linha pontilhada.
Claims (7)
1. Emulsão, caracterizada pelo fato de compreender:de 10 a 90% em peso de líquidos de hidrocarbonetosderivados de Fischer-Tropsch;de 90 a 10 % em peso de líquidos de hidrocarboneto nãoderivados de Fischer-Tropsch;água, onde as quantidades de água e hidrocarbonetos totaisficam na faixa de 90% em peso de água: 10% em peso de hidrocarbonetos até-10% em peso de água:90% em peso de hidrocarbonetos; e,de 0,001% a 5% em peso de tensoativos não-iônicos utilizadosna preparação de emulsões de petróleo derivadas de materiais derivados debetume tendo um HLB na faixa de 7 a 25.
2. Emulsão de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato de que os tensoativos estão presentes numa quantidade na faixa de 0,05 a-3% em peso.
3. Emulsão de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato de que os líquidos derivados de Fischer-Tropsch fervem a uma temperaturana faixa de C4-3710C.
4. Emulsão de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelofato de que os líquidos derivados de Fischer-Tropsch são um combustível dieselou um aditivo de combustível diesel.
5. Emulsão de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato de que os líquidos não derivados de Fischer-Tropsch são derivados depetróleo.
6. Emulsão de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelofato de que os líquidos derivados de petróleo são um combustível diesel.
7. Emulsão de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato de que a água é água de processo de Fischer-Tropsch.
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