ITMI991614A1 - Miscela liquida costituita da gasoli diesel e da composti ossigenati - Google Patents
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Description
"MISCELA LIQUIDA COSTITUITA DA GASOLI DIESEL E DA COMPOSTI OSSIGENATI”
Descrizione
La presente invenzione si riferisce ad una nuova miscela liquida costituita da gasoli diesel e da determinati composti ossigenati, i poliformali-dialchilici, la quale presenta accresciuti numeri di cetano rispetto a gasoli diesel convenzionali.
La presente invenzione riguarda inoltre un procedimento per la produzione selettiva di detti poliformali-dialchilici a partire da alcoli e/o dialchilformali e formaldeide mediante l’impiego di catalizzatori acidi liquidi.
Il gasolio rappresenta la parte più pesante dei distillati medi (200-360°C). In tale frazione confluiscono sia distillati diretti (“straight run”) che tagli analoghi provenienti da processi di conversione.
I criteri principali per definire un gasolio sono il range di punto di ebollizione ed il range di densità (0.760-0.935 a 15°C). Le caratteristiche motoristiche principali che determinano la qualità di un gasolio diesel sono le caratteristiche di combustione simulate dal numero di cetano.
In Europa le specifiche future sul combustibile sembrano indirizzarsi verso diesel a numero di cetano sempre più elevato, riducendo nel contempo il contenuto di zolfo e di idrocarburi poliaromatici.
Mentre per quanto riguarda le benzine sono disponibili diverse alternative di processo per migliorarne la qualità, per il gasolio, prodotto storicamente meno evoluto della benzina, di fatto due sembrano le vie principali per ottenere in raffineria un prodotto di buona qualità: o si possiede un greggio di valore, ed allora il gasolio che si ottiene per distillazione è di ottima qualità (necessita solo di un idrotrattamento relativamente blando) oppure si deve ricorrere a processi di idrotrattamento spinto e di Hydrocracking sulle diverse frazioni.
Una terza soluzione è quella di sintetizzare, o reperire da altre fonti, combustibili sintetici o di origine naturale che possano costituire componenti di pregio per gasoli riformulati: si ricordano come esempi della prima categoria i gasoli da Fischer-Tropsch e come esempio della seconda categoria il “bio-diesel” derivante da olii di semi.
Un’altra classe di composti particolarmente interessante è costituita da eteri lineari, con un numero complessivo di atomi > 9, i quali hanno un numero di cetano blending più che doppio del valore di specifica degli attuali gasoli e mostrano proprietà a freddo estremamente attraenti (Pecci, G.C., Clerici, M.G., Giavazzi, F., Ancillotti, F., Marchionna, M., Patrini, R., IX Int.Symp.Alcohols Fuels, (1991), 1,321; Giavazzi, F., Terna, D., Patrini, R., Ancillotti, F., Pecci, G.C., Trerè, R.,Benelli, Μ,, IX Int.Symp.Alcohols Fuels, (1991) 1, 327).
Aggiungendo questi eteri ad un gasolio, vengono migliorate tutte le proprietà di quest’ultimo; non solo il numero di cetano viene sensibilmente aumentato ma migliorano le proprietà a freddo, inoltre il contenuto di aromatici e di zolfo e la densità vengono ridotti per effetto della diluizione (Marchionna, M., Patrini, R., Giavazzi, F., Pecci, G.C., Preprints 2 12th Nat.Meet. Am.Chem.Soc., Div.Petr.Chem, (1996), 41,585).
Dal punto di vista delle caratteristiche ambientali questi eteri esercitano un effetto positivo sulla riduzione delle emissioni; in particolare, l’elevato numero di cetano permette la riduzione delle emissioni di idrocarburi e CO, mentre la presenza di ossigeno nella molecola consente una notevole riduzione, soprattutto delle emissioni di particolato ma anche di quelle di NOx.
Altre attività di interesse sono state condotte al di fuori del nostro gruppo di ricerca. ARCO ha condotto studi sull’effetto sinergico di glicoleteri e alchilperossidi come additivi di gasoli. I risultati del lavoro ARCO (Liotta, F.J., Jr. and Montalvo, D.M., SAE, Tech. Paper 932734, (1993); Nandi, M.K., Jacobs, D.C., Liotta, F.J., Jr. and Kesling, H.S., Jr., SAE, Tech. Paper 942019, (1994)) sull'impiego di derivati glicolici (al 5% nel gasolio) sono brevemente riassunti qui di seguito:
- l'aggiunta di ossigeno (come etere) porta ad una riduzione del particolato, non cambiandone però la composizione.
- non diminuiscono, anzi aumentano di pochissimo gli NOx; se si aggiunge però un innalzatore cetanico di tipo perossidico, anche gli NOx diminuiscono.
- un combustibile contenente il 31% di aromatici con laggiunta di composti ossigenati e perossidi nella suddetta proporzione soddisfa pienamente le specifiche sulle emissioni in California ed equivale ad un combustibile contenente solo il 15% di aromatici privo di ossigenati.
Inoltre, recentemente proprio ARCO Lyondell sembra pronta a commercializzare per il mercato californiano un gasolio riformulato (“EC Ultra Clean Diesel”) molto avanzato per le sue proprietà (numero di cetano naturale: 60; zolfo < 15 ppm; aromatici < 10% voi.). Non è nota la composizione di tale gasolio.
Sono recentemente apparsi anche svariati lavori sulle emissioni dei motori diesel che includevano nelle formulazioni di gasoli glicoleteri, eteri ed altri composti ossigenati (metilale). Negli ultimi anni c’è un interesse per i componenti dei gasoli crescente da parte di diverse compagnie petrolifere ed istituzioni.
Si è ora sorprendentemente trovata una miscela liquida costituita essenzialmente da gasolio e componenti ossigenati che permette di aumentare sia il numero di cetano che la percentuale di ossigeno del gasolio.
La miscela liquida, oggetto della presente invenzione, avente un numero di cetano superiore a 40, è caratterizzata dal fatto di essere costituita da:
- un tipico taglio gasolio diesel avente temperatura di ebollizione compresa fra 150 e 380°C, preferibilmente fra 200 e 350°C, e densità compresa fra 0.76 e 0.935g/ml a 15°C;
- uno o più composti scelti fra i poliformali-dialchilici
rappresentati dalla formula
dove R è una catena alchilica CnH2n+i,
m è un numero intero uguale o maggiore di 2 e minore o uguale a 6,
n é un numero intero compreso fra 1 e 10,
in cui la concentrazione di detti poliformali-dialchilici nel gasolio è compresa tra l 1 e il 20 %, preferibilmente fra il 4 e 1*11 %, in volume. ;Più in particolare, è preferibile che m sia uguale o maggiore di 3 ed n sia uguale a 1 o a 2, più preferibile che m sia uguale o maggiore di 3 e minore o uguale a 5 ed n sia uguale ad 1. ;Nella tabella A sottostante vengono riportati i dati di numero di cetano blending relativi a questa classe di prodotti determinati mediante l’aggiunta di questi componenti ad un gasolio base con numero di cetano di 48. ;Tali componenti sono estremamente interessanti perché oltre a presentare un elevato numero di cetano ed un elevato contenuto di ossigeno (ca. 42-49 %), che favorisce la riduzione del particolato, sono derivabili da una materia prima di basso costo e assai disponibile. ; ;
Tabella A ;Il tipico taglio gasolio diesel, utilizzato nella miscela oggetto dell’invenzione, può essere addizionato con innalzatori cetanici preferibilmente in concentrazione nel gasolio diesel fino all’ l % in peso. ;Detti innalzatori cetanici possono essere scelti fra i nitroderivati e i dialchil-perossidi. ;La presente invenzione riguarda inoltre un procedimento per la produzione selettiva di poliformali-di-alchilici a partire da alcoli e/o dialchilformali e formaldeide mediante l’impiego di catalizzatori acidi liquidi; il processo si caratterizza sia per le elevate rese che per il particolare metodo di recupero del catalizzatore dal prodotto e del suo riciclo. ;Le vie di sintesi dei poliformali-dialchilici R0(CH20)mR sono le seguenti: ;(1) ;
(2) ;Entrambe le reazioni avvengono con catalisi acida. ;E’ noto che i poli-ossimetilen-dimetileteri si possono preparare a partire da metanolo e paraformaldeide ad elevate temperature (Helv. Chim. Acta 8, 64 (1925), Ann. 474, 213, (1929)); nel brevetto della Dupont US-2449469 i poliformali vengono preparati a partire da paraformaldeide e dal dialchilformale con acido solforico come catalizzatore (concentrazioni dell’acido intorno allo 0, 1-2 % peso). Si è ora invece sorprendentemente trovato un procedimento che, operando con concentrazioni anche molto basse di acidi solfonici, eventualmente sostituiti con alogeni, come catalizzatori, consente l’ottenimento di rese elevate in poliformali, a partire da formaldeide ed alcoli e/o dialchilformali; tale procedimento permette inoltre un semplice e funzionale recupero del catalizzatore dal prodotto di reazione e il suo riciclo nell’ambiente di reazione. ;Il procedimento, ulteriore oggetto della presente invenzione, per la produzione di poliformali-dialchilici rappresentati dalla formula ;;; ;;
dove R è una catena alchilica CnH2n+i, ;m ed n sono numeri interi compresi fra 1 e 10, ;effettuato mediante la reazione (1) e/o la reazione (2) seguenti (1) ; (2) ;è caratterizzato dal fatto di utilizzare, come catalizzatori, acidi solfonici o acidi solfonici sostituiti con alogeni, operando a temperature comprese fra 50 e 200°C, preferibilmente tra 80 e 150°C, più preferibilmente quelle che consentono di avere la formaldeide (quando impiegata come paraformaldeide o triossano) sciolta nell’ambiente di reazione, e a pressioni preferibilmente comprese tra 0.1 e 1 MPa, più preferibilmente quelle che garantiscono temperature sufficienti per avere il reagente (alcool o dialchilformale) in fase liquida. ;Operando con le modalità sopra specificate si raggiunge l’equilibrio di reazione: la miscela che si ottiene contiene poliformali con m compreso fra 2 e 5 con una selettività intorno all’80-95 %. ;La concentrazione dell’acido solfonico o dell’acido solfonico sostitutito può variare in un ampio campo a seconda delle necessità e dei reagenti presenti (tipo di formale e formaldeide utilizzati): è comunque preferibilmente compresa tra 0.00001 e 0.01M. ;La reazione (1) può essere condotta con un rapporto molare formaldeide/alcool maggiore di 0, 1, preferibilmente maggiore di 0,5, e con un rapporto molare alcool/acidi solfonici o alcool/acidi solfonici sostituiti maggiore di 100, preferibilmente maggiore di 500. ;La reazione (2) può essere condotta con un rapporto molare formaldeide/dialchilformale maggiore di 0, 1 e con un rapporto molare dialchilformale/acidi solfonici o dialchilformale/acidi solfonici sostituiti maggiore di 100, preferibilmente maggiore di 500. ;La formaldeide impegata può’ essere in soluzione acquosa o in soluzione metanol-acquosa, può essere nella forma ciclica (triossano) o nella forma polimera (paraformaldeide). ;Una grande varietà di catalizzatori acidi solfonici può essere impiegata per questo processo: tra questi catalizzatori l'impiego di acidi solfonici sostituiti con gruppi fluorurati come l’acido triflico o derivati superiori è di gran lunga preferito. ;Un vasto campo di condizioni operative può essere impiegato per produrre i poliformali nelle selettività desiderate mediante l'oggetto della presente invenzione. Si può operare in fase liquida o in fase liquido-vapore ma le condizioni di operazione in fase liquida sono quelle preferite. ;Il processo oggetto della presente invenzione può operare sia in condizioni discontinue che continue, tenendo però presente che queste ultime sono molto più vantaggiose nella pratica industriale. La configurazione reattoristica può essere opzionalmente scelta tra reattore isotermo, adiabatico, agitato, distillazione reattiva, etc. ;Tale procedimento può preferibilmente essere condotto, nel caso si effettui la reazione (1) con m=l, nel seguente modo: ;prima si effettua la reazione (1), in cui m è uguale ad 1 (la), ; (la), facendo reagire l’alcool con la formaldeide, mediante catalizzatori acidi, ed ottenendo il dialchil-monoformale ed acqua e dopo si effettua la reazione (2), in cui m è compreso fra 1 e 10, facendo reagire il dialchil-monoformale e la formaldeide, mediante un acido solfonico o un acido solfonico sostituito con alogeni (come sopra descritto). ;I catalizzatori acidi utilizzati per la reazione (la) possono essere scelti fra gli acidi minerali, come acido solforico, acido fosforico, trifluoruro di boro, zeoliti, resine polimeriche solfonate (ad es. Amberlyst 15 o Amberlyst 35), etc., oppure fra gli stessi acidi solfonici o acidi solfonici sostituiti con alogeni utilizzati per la reazione (2). ;Tale particolare procedimento può eventualmente essere effettuato in due stadi separati, cioè in un primo stadio dove il dialchil-monoformale ottenuto viene separato dall’acqua e la reazione (2) viene effettuata in un secondo stadio nel quale viene inviato il dialchil-monoformale separato. ;La reazione (la) può essere condotta con un rapporto molare formaldeide/alcool maggiore di 0.1, preferibilmente maggiore di 0.5, e con un rapporto molare dialchil-monoformale/acidi solfonici maggiore di 100, preferibilmente maggiore di 500, e la reazione (2) con un rapporto molare formaldeide/poliformali-dialchilici maggiore di 0, 1 e con un rapporto molare dialchilformale/acidi solfonici maggiore di 100, preferibilmente maggiore di 500. ;La reazione viene condotta all’equilibrio, il dialchilformale non reagito viene riciclato nel reattore. ;Quando n = 1, possono essere riciclati anche l oligomero con m = 2 ed anche i prodotti pesanti (m > 6) recuperati dopo la distillazione. In quest’ultimo caso, i prodotti pesanti, prima di essere riciclati al reattore, possono anche essere opzionalmente trattati con acqua prima di essere riciclati. ;Il prodotto contenente parte o tutto il catalizzatore può essere mandato ad una colonna contenente gel di silice, secondo l’insegnamento di una nostra precedente domanda di brevetto per ottenere eteri dialchilici (IT-MI 97/A000754 del 02/04/1997); operando in questa maniera si può ottenere un prodotto completamente deacidificato senza l’impiego di basi che, neutralizzando l’acido, danno luogo a sali di difficile smaltimento. ;L’acido assorbito dal gel di silice può invece essere facilmente estratto per eluizione con dialchilformale fresco (o anche con l’oligomero con m =2, quando n = 1) e la miscela di dialchilformali e acido ottenuta può essere riciclata insieme alle altre correnti al reattore. ;Operando in questa maniera le perdite di catalizzatore sono praticamente nulle ed il catalizzatore in questi passaggi conserva inalterata la sua attività. ;Uno schema esemplificativo del procedimento, per il caso specifico con m uguale o maggiore di 3 ed n uguale a 1, è illustrato in Figura 1. ;La corrente (1), contenente dialchilformali e formaldeide con opzionalmente del catalizzatore fresco, viene inviata ad un reattore (2) (preferibilmente smaltato per evitare fenomeni di corrosione). La miscela di reazione contenente sia i prodotti che il catalizzatore (3) uscente dal reattore (2) è mandata direttamente alla colonna (4) riempita con gel di silice dove la miscela viene purificata da tutto l’acido e dalle tracce di acqua. Questi ultimi componenti possono essere ri-estratti con dialchilformale fresco (5) e/o con CH30(CH20)2CH3 e/o con CH30(CH20)CH3 e riciclati al reattore (6). La miscela di reazione neutralizzata (7) viene inviata ad una colonna di distillazione (8) da dove si ottengono di testa il di-alchilformale (9), il dimero (10) e di coda i prodotti pesanti (1 1), riciclati nel reattore (2), ed il prodotto (12). ;Vengono ora forniti degli esempi aventi lo scopo di meglio illustrare l'invenzione, essendo tuttavia inteso che essa non è affatto ad essi limitata. ;Apparecchiatura ;In un’autoclave da 300 mi, con agitazione a trascinamento magnetico si caricano in atmosfera inerte, l’acido triflico sciolto nel dialchilformale e paraformaldeide. ;Si chiude l’autoclave e si aggiunge azoto fino a raggiungere una pressione di circa 2 atm e si immerge l’autoclave in un bagno termostatico ad olio impostato alla temperatura della prova. La composizione qualitativa e quantitativa del prodotto di reazione viene determinata per via gascromatografica mediante standard. ;Esempio 1 ;In questa prova è stato utilizzato dimetossimetano (150 mi, 1.68 moli), paraformaldeide (37.9 g, 1.26 moli) ed acido triflico, CF3SO3H, (0.020 ml, 0.23 mmoli). Operando nelle condizioni descritte in precedenza (bagno termostatico a 120°C) è stato possibile ottenere dopo 40 min di reazione una conversione del dimetossimetano del 54.0%, una selettività a poliformali (2<m≤5)del 94.8% e al dimero (m=2) del 49.6%. I dati sono riportati in Tabella 1; il sottoprodotto principale è metanolo, che può essere facilmente riconvertito per ulteriore addizione di formaldeide in dimetossimetano (DMM)(Resa=conversione DMM x selettività poliformali/100). ;Esempi 2-7 ;Questi esempi mostrano l’effetto della variazione della concentrazione dell’ acido e mettono in evidenza che, in queste condizioni (le prove sono state condotte a 115°C), le rese migliore si ottengono a concentrazioni di acido pari a 1-2* IO<'3 >M. (Vedere Tabelle 2 e 3) Esempi 8-12
Questi esempi mostrano l’effetto del rapporto CH20/DMM a due diverse concentrazioni di acido triflico. Le prove riportate nelle tabelle 4 e 5 mettono in evidenza come concentrazioni diverse presentino andamenti diversi al variare del rapporto CH20/DMM (Vedere Tabelle 4 e 5).
Esempio 13
Questo esempio mostra che il sistema può operare anche con metanolo come reagente, in questo caso il prodotto di reazione principale è il dimetossimetano (Vedere tabella 6).
Tabella 1
Tabella 3
<Tabella 5>
Claims (10)
- Rivendicazioni 1) Miscela liquida avente un numero di cetano superiore a 40 caratterizzata dal fatto di essere costituita da: - un tipico taglio gasolio diesel avente temperatura di ebollizione compresa fra 150 e 380°C e densità compresa fra 0,76 e 0,935g/ml a 15°C; - uno o più composti scelti fra i poliformali-dialchilici rappresentati dalla formuladove R è una catena alchilica CnH2n+i, m è un numero intero uguale o maggiore di 2 e minore o uguale a 6, n é un numero intero compreso fra 1 e 10, in cui la concentrazione di detti poliformali-dialchilici nel gasolio è compresa tra l 1 e il 20 % in volume.
- 2) Miscela liquida come da rivendicazione 1 dove m è uguale o maggiore di 3 e n è uguale a 1 o a 2.
- 3) Miscela liquida come da rivendicazione 2 dove m è uguale o maggiore di 3 e minore o uguale a 5 e n è uguale a 1.
- 4) Miscela liquida come da rivendicazione 1 dove i poliformatidi al chi lici sono in concentrazione nel gasolio in quantità compresa fra il 4 e l 1 1%.
- 5) Miscela liquida come da rivendicazione 1 dove il tipico taglio gasolio diesel ha temperatura di ebollizione compresa fra 200 e 350°C.
- 6) Miscela liquida come da rivendicazione 1 dove I il tipico taglio gasolio diesel è addizionato con innalzatori cetanici.
- 7) Miscela liquida come da rivendicazione 6 dove gli innalzatori cetanici sono in concentrazione nel gasolio diesel fino all’ 1 % in peso.
- 8) Miscela liquida come da rivendicazione 6 dove gli innalzatori cetanici sono scelti fra i nitroderivati e i dialchil-perossidi.
- 9) Procedimento per la produzione di poliformali-dialchilici rappresentati dalla formuladove R è una catena alchilica C„H2n+i, m ed n sono numeri interi compresi fra 1 e 10, effettuato mediante la reazione (1) e/o la reazione (2) seguenti (1) (2) caratterizzato dal fatto di utilizzare, come catalizzatori, acidi solfonici o acidi solfonici sostituiti con alogeni, operando a temperature comprese fra 50 e 200°C.
- 10) Procedimento come da rivendicazione 9 dove si opera con pressioni comprese tra 0.1 e 1 MPa, 11) Procedimento come da rivendicazione 9 dove la concentrazione dell’acido solfonico è compresa fra 0.00001 e 0.01M. 12) Procedimento come da rivendicazione 9 dove la reazione (1) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/alcool maggiore di 0.1 e con un rapporto molare alcool/acidi solfonici o alcool/acidi solfonici sostituiti maggiore di 100. 13) Procedimento come da rivendicazione 9 dove la reazione (2) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/dialchilformale maggiore di 0, 1 e con un rapporto molare dialchilformale/acidi solfonici maggiore di 100. 14) Procedimento come da rivendicazione 9 dove prima si effettua la reazioni (1), in cui m è uguale ad 1, facendo reagire l’alcool con la formaldeide ed ottenendo dialchil-monoformale ed acqua e dopo si effettua la reazione (2), in cui m è compreso fra 1 e 10, facendo reagire il dialchil-monoformale e la formaldeide. 15) Procedimento come da rivendicazione 14 dove la reazione (1) viene effettuata in un primo stadio dove il dialchil-monoformale ottenuto viene separato dall’acqua e la reazione (2) viene effettuata in un secondo stadio nel quale viene inviato il dialchilmonoformale separato. 16) Procedimento come da rivendicazione 14 o 15 dove la reazione (1) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/alcool maggiore di 0.1 e con un rapporto molare alcool/acidi solfonici o alcool/acidi solfonici sostituiti maggiore di 100 e la reazione (2) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/dialchilformale maggiore di 0,1 e con un rapporto molare dialchilformale/acidi solfonici maggiore di 100. 17) Procedimento come da rivendicazione 16 dove la reazione (1) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/alcool maggiore di 0.5 e con un rapporto molare alcool/acidi solfonici o alcool/acidi solfonici sostituiti maggiore di 500 e la reazione (2) viene condotta con un rapporto molare formaldeide/dialchilformale maggiore di 0,5 e con un rapporto molare dialchilformale/acidi solfonici maggiore di 500. 18) Procedimento come da rivendicazione 9 dove gli acidi solfonici sostituiti con alogeni sono acidi perfluoroalcansolfonici.
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