BRPI0803522B1 - COMPOSITIONS OF DIESEL CYCLE FUEL CONTAINING DIANIDROHEXITOLES AND DERIVATIVES - Google Patents
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Description
COMPOSIÇÕES DE COMBUSTÍVEL DO CICLO DIESEL CONTENDO DIANIDROHEXITÓIS E DERIVADOS CAMPO DA INVENÇÃODIESEL CYCLE FUEL COMPOSITIONS CONTAINING DIANIDROHEXITOLS AND DERIVATIVES FIELD OF THE INVENTION
A presente invenção pertence ao campo das composições combustíveis para motores do ciclo diesel (ignição por compressão). Mais especificamente, a invenção trata de composições combustíveis para uso em motor do ciclo diesel à base de compostos oxigenados derivados de dianidrohexitóis, principalmente a isosorbida e derivados. Os dianidrohexitóis são produtos da desidratação dupla de hexitóis (álcoois de açúcares de 6 carbonos) e podem ser obtidos de fontes renováveis como a celulose e a sacarose. Os dianidrohexitóis e derivados podem ser utilizados como aditivo melhorador de cetano, como substitutos de hidrocarbonetos e em combinação com outros oxigenados. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOThe present invention belongs to the field of diesel cycle engine fuel (compression ignition) compositions. More specifically, the invention relates to fuel compositions for use in diesel engine engines based on oxygenated compounds derived from dianhydrohexitols, mainly isosorbide and derivatives. Dianhydrohexitols are products of the double dehydration of hexitols (6-carbon sugar alcohols) and can be obtained from renewable sources such as cellulose and sucrose. Dianhydrohexitols and derivatives may be used as a cetane improver additive, as a hydrocarbon substitute and in combination with other oxygenates. BACKGROUND OF THE INVENTION
Anteriormente ao desenvolvimento da exploração do petróleo a custo baixo, fontes renováveis de energia eram utilizadas. De fato, durante o desenvolvimento do motor de ignição por compressão (patentes US 542.846 e US 608.845) por Rudolph Diesel óleos vegetais foram utilizados, conforme o artigo por Shay, E.G. “Diesel fuel from vegetable oils: Status and opportunities.” Biomass and Bioenergy (1993) vol. 4 (4) pp. 227-242. A preocupação quanto à emissão de gases de efeito estufa na queima de combustíveis fósseis torna mais relevante a utilização de fontes sustentáveis. Biocombustíveis derivados de biomassa vegetal, como o etanol, são correntemente a única fonte sustentável de combustível líquido. O biocombustível mais utilizado é o etanol, produto da fermentação de soluções diluídas de sacarose ou glucose, segundo a reação (para a glucose): C6H1206 -► 2 CH3CH2OH + 2 C02 Entretanto, de cada 6 carbonos presentes na molécula de glucose, apenas 4 vão resultar em combustível. Também há necessidade de energia para a destilação do etanol: mesmo em condições otimizadas, queima da maior parte do bagaço da cana são necessários, vide Ensinas, A.V. et al. Analysis of process steam demand reduction and electricity generation in sugar and ethanol production from sugarcane. Energy Conversion and Management (2007) vol. 48 (11) pp. 2978-2987.Prior to the development of low-cost oil exploration, renewable sources of energy were used. In fact, during the development of the compression ignition engine (US 542,846 and US 608,845) by Rudolph Diesel vegetable oils were used, according to the article by Shay, EG “Diesel fuel from vegetable oils: Status and opportunities.” Biomass and Bioenergy (1993) vol. 4 (4) pp. 227-242. Concern about the emission of greenhouse gases in the burning of fossil fuels makes the use of sustainable sources more relevant. Biofuels derived from plant biomass, such as ethanol, are currently the only sustainable source of liquid fuel. The most commonly used biofuel is ethanol, which is the product of the fermentation of dilute sucrose or glucose solutions according to the reaction (for glucose): C6H1206 -► 2 CH3CH2OH + 2 CO2 However, of every 6 carbons in the glucose molecule, only 4 will result in fuel. There is also a need for energy for ethanol distillation: even under optimal conditions, burning most of the sugarcane bagasse is needed, see Ensinas, A.V. et al. Analysis of process steam demand reduction and electricity generation in sugar and ethanol production from sugarcane. Energy Conversion and Management (2007) vol. 48 (11) pp. 2978-2987.
Glucose pode ser obtida também pela hidrólise ácida ou enzimática da celulose, conforme o artigo por Huber, G.W. et al.. Synthesis of transportation fuels from biomass: Chemistry, catalysts, and engineering. Chemical Reviews (2006) vol. 106 (9) pp. 4044-4098. A celulose é o polímero orgânico mais comum, principal constituinte da biomassa. Com uma produção anual de cerca de 1.5 x 1012 toneladas é considerada uma matéria prima praticamente inexaurível, vide Klemm, D. et al., Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie International Edition (2005) vol. 44 (22) pp. 3358-3393.Glucose can also be obtained by acidic or enzymatic hydrolysis of cellulose, according to the article by Huber, G.W. et al .. Synthesis of transportation fuels from biomass: Chemistry, catalysts, and engineering. Chemical Reviews (2006) vol. 106 (9) pp. 4044-4098. Cellulose is the most common organic polymer, the main constituent of biomass. With an annual output of about 1.5 x 1012 tonnes it is considered a virtually inexhaustible raw material, see Klemm, D. et al., Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie International Edition (2005) vol. 44 (22) pp. 3358-3393.
Além da produção de etanol por hidrólise da celulose também são conhecidas outras rotas para conversão de biomassa a combustíveis. Podem ser citados a pirólise rápida para produção de bio-óleos e a produção de gás de síntese a utilização deste para produção de combustíveis. Os processos de gaseificação têm a desvantagem da baixa eficiência térmica do processo (no máximo 16% a 50% da energia recuperada como combustível após síntese), conforme citado acima no artigo por Huber, G.W. et al, 2006. Já os bio-óleos de pirólise rápida são de difícil utilização como combustível, necessitando posterior refino, ainda conforme o mesmo artigo por Huber, G.W. et al., 2006. O etanol, usado com sucesso em motores do ciclo Otto (gasolina), não pode ser utilizado diretamente em motores do ciclo diesel, devido ao baixo número de cetano. Entretanto misturas de diesel (hidrocarbonetos) e etanol podem ser utilizados com sucesso desde que se utilizem aditivos para sua solubilização (surfactantes e co-solventes), vide a este respeito os artigos por Ribeiro, Núbia M. et al. The role of additives for diesel and diesel blended (ethanol or biodiesel) fuels: A review. Energy Fuels (2007) vol. 21 (4) pp. 2433 e Hansen, A.C. et al. Ethanol-diesel fuel blends - A review. Bioresource Technology (2005) vol. 96 (3) pp. 277-285. Na prática, a utilização de etanol é limitada a 20 vol%.In addition to ethanol production by cellulose hydrolysis, other routes for converting biomass to fuels are also known. Rapid pyrolysis for bio-oil production and synthesis gas production can be cited for its use for fuel production. Gasification processes have the disadvantage of the low thermal efficiency of the process (maximum 16% to 50% of the energy recovered as fuel after synthesis), as cited above in the article by Huber, GW et al, 2006. Rapid pyrolysis is difficult to use as a fuel, requiring further refining, even according to the same article by Huber, GW et al., 2006. Ethanol, successfully used in Otto cycle engines (gasoline), cannot be used directly in engines. due to the low cetane number. However mixtures of diesel (hydrocarbons) and ethanol can be used successfully as long as solubilizing additives (surfactants and co-solvents) are used, see in this regard the articles by Ribeiro, Núbia M. et al. The role of additives for diesel and diesel blended fuels: A review. Energy Fuels (2007) vol. 21 (4) pp. 2433 and Hansen, A.C. et al. Ethanol-diesel fuel blends - A review. Bioresource Technology (2005) vol. 96 (3) pp. 277-285. In practice, the use of ethanol is limited to 20 vol%.
Derivados de óleos vegetais podem ser utilizados em motores do ciclo diesel, principalmente o biodiesel, ésteres etílicos e metílicos de ácidos graxos, conforme Ma, F. et al., Biodiesel production: A review. Bioresource Technology (1999) vol. 70 (1) pp. 1-15. Entretanto, a disponibilidade de óleos vegetais é pequena quando comparada à disponibilidade da celulose. A queima de combustíveis contendo oxigenados como o etanol, biodiesel e outros em motores do ciclo diesel têm a vantagem de diminuir a emissão de fuligem, vide os artigos por Curran, H.J. et al. Detailed Chemical Kinetic Modeling of Diesel Combustion with Oxygenated Fuels. Conference: 28th International Symposium on Combustion (2000); Westbrook, C.K. et al. The effect of oxygenate molecular structure on soot production in direct-injection diesel engines. SANDIA REPORT SANO 2003-8207 (2003); e Pepiot-Desjardins, Perrine et al. Structural group analysis for soot reduction tendency of oxygenated fuels. Combustion and Flame (2008) vol. 154 (1-2) pp. 191-205.Vegetable oil derivatives can be used in diesel cycle engines, mainly biodiesel, ethyl and methyl esters of fatty acids, according to Ma, F. et al., Biodiesel production: A review. Bioresource Technology (1999) vol. 70 (1) pp. 1-15. However, the availability of vegetable oils is small compared to the availability of cellulose. Burning oxygen-containing fuels such as ethanol, biodiesel and others in diesel engine engines has the advantage of reducing soot emission, see articles by Curran, H.J. et al. Detailed Chemical Kinetic Modeling of Diesel Combustion with Oxygenated Fuels. Conference: 28th International Symposium on Combustion (2000); Westbrook, C.K. et al. The effect of molecular oxygen structure on soot production in direct-injection diesel engines. SANDIA REPORT SANO 2003-8207 (2003); and Pepiot-Desjardins, Perrine et al. Structural group analysis for soot reduction trend of oxygenated fuels. Combustion and Flame (2008) vol. 154 (1-2) pp. 191-205.
Outro parâmetro importante em combustíveis usados em motores do ciclo Diesel é a capacidade de ignição após compressão, expresso pelo número de cetano, obtido em motor, teste ASTM D613 ou em equipamento como o IQT - Ignition Quality Test, ASTM D6890, vide Murphy, M. et al. Compendium of Experimental Cetane Number Data. National Renewable Energy Laboratory (2004). A patente US 2.575.543 cita o uso de dietiléter (DEE), que pode ser obtido de fonte renovável (etanol) em motores do ciclo Diesel, como combustível de partida. Poderíam ser utilizadas misturas de 15% a 50% de volume de DEE no combustível. A desvantagem do DEE é seu baixo ponto de ebulição (34,6°C) e densidade (0,7134 g/cm3), apesar do alto número de cetano (140 - 160, reportados na literatura, vide a citação acima por Murphy, M. et al. (2004). A patente US 4.425.136 cita a utilização direta de carboidratos em fornalhas, na forma de soluções de água, etanol e sacarose ou outro açúcar solúvel. A água e o etanol são necessários respectivamente para a solubilização do açúcar e para partida do motor (volátil). Açúcares de 5 a 12 carbonos são exemplificados, incluindo a glucose. A desvantagem é que os açúcares tendem a caramelizar e formar depósito nos motores, mesmo nas temperaturas mais elevadas de combustão requeridas na invenção (500°C). A patente ainda ensina que a invenção poderia ser utilizada em misturas com óleo diesel se modificações de motor forem efetuadas. A patente US 4.891.049 ensina a utilização de carbonatos como aditivo de combustível de motor do ciclo Diesel. São reivindicados combustíveis com até 50% em massa do carbonato, como o dimetil carbonato (DMC). Apesar de poder ser obtido de fontes regeneráveis, o número de cetano do DMC é baixo, sendo preferível a utilização como gasolina, vide Pacheco, M.A. et al. Review of Dimethyl Carbonate (DMC) Manufacture and Its Characteristics as a Fuel Additive. Energy & Fuels (1997). A patente US 5.308.365 ensina a utilização de diéteres ou triéteres de glicerol como aditivo de motores de ciclo Diesel em quantidades de até 30 vol% no combustível. Observou-se diminuição no teor de fuligem. O glicerol pode ser considerado material renovável, sendo subproduto da transesterificação de ácidos graxos com álcoois (produção de biodiesel). Entretanto, comparado à disponibilidade de outros materiais como a celulose, é pequeno o potencial de utilização dos éteres de glicerol como constituinte principal do combustível. A patente US 6.015.440 ensina a utilização dos éteres de glicerol em conjunto com o biodiesel (ésteres de ácido graxo), resultando diminuição do ponto de névoa do biodiesel. A patente US 5.820.640 descreve a utilização de emulsões, misturas de óleo de pirólise rápida (bio-óleo), até 50% em peso, com óleo diesel. O uso de emulsificante é necessário para solvência do bio-óleo ao diesel. Apesar do potencial de produção de grandes quantidades de bio-óleo por pirólise rápida, existem problemas como corrosão, conteúdo de cinzas e sedimentos no material. A utilização da mistura em motor diesel não foi avaliada na patente. A patente US 5.858.030 é requerida a utilização de dimetoxi-alcanos como o dimetoxietano (DMET) como aditivos de óleo diesel. O 1,2 dimetoxietano tem número de cetano de 105, e pode ser produzido de forma renovável (acoplamento oxidativo do dimetil éter, que pode ser produzido a partir do gás de síntese) mas tem baixo ponto de fulgor (0°C). A patente US 6.578.870 ensina a utilização de oxigenado como o DMET para obter um aumento desejado no número de cetano e um segundo oxigenado de maior ponto de fulgor para obter ponto de fulgor da mistura desejado. Apesar do alto valor de cetano do DMET, o ponto de fulgor é baixo.Another important parameter in fuels used in diesel engines is the ignition capacity after compression, expressed as cetane number, obtained on engine, ASTM D613 test or on equipment such as the IQT - Ignition Quality Test, ASTM D6890, see Murphy, M et al. Compendium of Experimental Cetane Number Data. National Renewable Energy Laboratory (2004). US 2,575,543 cites the use of diethyl ether (DEE), which can be obtained from renewable sources (ethanol) in diesel cycle engines, as a starting fuel. Mixtures of 15% to 50% DEE in the fuel could be used. The disadvantage of EED is its low boiling point (34.6 ° C) and density (0.7134 g / cm3), despite the high cetane number (140 - 160 reported in the literature, see above quotation by Murphy, M. et al (2004) US Patent 4,425,136 cites the direct use of carbohydrates in furnaces in the form of water, ethanol and sucrose solutions or other soluble sugar Water and ethanol are required respectively for solubilization. 5 to 12 carbon sugars are exemplified, including glucose The disadvantage is that sugars tend to caramelize and deposit in engines even at the higher combustion temperatures required by the invention ( The patent further teaches that the invention could be used in blends with diesel oil if engine modifications are made US Patent 4,891,049 teaches the use of carbonates as a diesel cycle engine fuel additive. fuels with up to 50% by weight of carbonate such as dimethyl carbonate (DMC) are claimed. Although it can be obtained from regenerable sources, the DMC cetane number is low, and use as gasoline is preferable, see Pacheco, M.A. et al. Review of Dimethyl Carbonate (DMC) Manufacturing and Its Characteristics as a Fuel Additive. Energy & Fuels (1997). US 5,308,365 teaches the use of glycerol diethers or triethers as an additive to diesel cycle engines in amounts of up to 30 vol% in the fuel. Decrease in soot content was observed. Glycerol can be considered a renewable material, being a byproduct of fatty acid transesterification with alcohols (biodiesel production). However, compared to the availability of other materials such as cellulose, there is little potential for using glycerol ethers as the main fuel constituent. US 6,015,440 teaches the use of glycerol ethers in conjunction with biodiesel (fatty acid esters), resulting in a reduction in the biodiesel mist point. US 5,820,640 describes the use of emulsions, blends of up to 50% by weight, fast pyrolysis oil (bio-oil) with diesel oil. The use of emulsifier is required for solvency of bio-oil to diesel. Despite the potential to produce large quantities of bio-oil by rapid pyrolysis, there are problems such as corrosion, ash content and sediment in the material. The use of the mixture in diesel engine has not been evaluated in the patent. US 5,858,030 requires the use of dimethoxy alkanes such as dimethoxyethane (DMET) as diesel oil additives. 1,2 Dimethoxyethane has a cetane number of 105, and can be produced in a renewable manner (oxidative coupling of dimethyl ether, which can be produced from the synthesis gas) but has a low flash point (0 ° C). US 6,578,870 teaches the use of oxygenate such as DMET to obtain a desired increase in cetane number and a second higher flash point oxygenate to obtain flash point of the desired mixture. Despite DMET's high cetane value, the flash point is low.
As patentes US 5.906.664 e US 6.270.541 ensinam a utilização de dimetil éter (DME) como combustível em motores de ciclo Diesel. Composições de metanol, água e DME são reivindicadas onde o produto tem uma fase e boas características de ignição. O DME pode ser produzido de modo renovável (biomassa, gás de síntese), mas tem a desvantagem do baixo ponto de fulgor (-41 °C).US 5,906,664 and US 6,270,541 teach the use of dimethyl ether (DME) as a fuel in diesel cycle engines. Methanol, water and DME compositions are claimed where the product has a phase and good ignition characteristics. DME can be produced renewable (biomass, synthesis gas) but has the disadvantage of low flash point (-41 ° C).
As patentes US 6.872.231 e US 7.300.476 ensinam a utilização de oxigenados pesados como aditivos para diesel, sem a desvantagem do baixo ponto de fulgor. Entretanto são obtidos a partir da oxidação de hidrocarbonetos fósseis.US 6,872,231 and US 7,300,476 teach the use of heavy oxygenates as diesel additives without the disadvantage of the low flash point. However, they are obtained from the oxidation of fossil hydrocarbons.
As patentes US 7.828.071 e US 7.374.587 ensinam o uso de amido tornado hidrofóbico como combustível, incluindo motores diesel. O amido, apesar de renovável, é obtido em menor profusão que a celulose, e se presta a outros usos como alimentação humana. Também não é completamente dissolvido no diesel, o que pode dificultar a combustão. A patente US 7.014.668 ensina o uso de combustível para motores, incluindo os do ciclo diesel, de mistura de oxigenados, de 5% até 100% em volume, e opcionalmente hidrocarbonetos. O combustível da invenção tem pelo menos dois oxigenados distintos, com um total de 4 grupos funcionais na mistura compreendendo os grupos álcool, éter, éster, éter nitrato, aldeído, cetona, acetal, peróxido e epóxido. Mais preferencialmente, o combustível teria pelo menos um composto de cada grupo descrito anteriormente. A patente US 4.992.605 trata da hidroconversão de óleos vegetais em catalisadores de hidrotratamento, produzindo parafinas de alto cetano, correspondentes aos ácidos graxos dos triglicerídeos originais. O pedido publicado norte-americano US 2006/0186020 ensina a hidroconversão de triglicerídeos em reatores de HDT de diesel, misturado na proporção de até 75% em massa da carga, gerando as parafinas de alto cetano já misturadas à corrente de diesel especificada para uso combustível. A patente US 7.279.018 trata da hidrogenação dos mesmos triglicerídeos, com isomerização adicional a fim de diminuir o ponto de névoa do produto. O produto da hidrogenação e isomerização é então misturado ao diesel e opcionalmente a outro oxigenado. A desvantagem destes processos é a de que os óleos vegetais e gorduras animais (triglicerídeos) não são matérias primas tão disponíveis quanto a celulose. O pedido publicado norte-americano US 2006/0096158 ensina o uso de éster cíclico ou lactona para compor gasolina ou diesel. O uso como gasolina é preferível, uma vez que lactonas simples, sem cadeias longas ligadas ao ciclo, têm elevada octanagem. Uma lactona como a γ-Valerolactona podem ser obtidas do ácido levulínico, que pode ser obtido do hidroximetilfurfural, que pode ser obtido da celulose.US 7,828,071 and US 7,374,587 teach the use of rendered hydrophobic starch as a fuel, including diesel engines. Starch, although renewable, is obtained to a lesser extent than cellulose, and lends itself to other uses as human food. Nor is it completely dissolved in diesel, which can make combustion difficult. US Patent 7,014,668 teaches the use of 5% to 100% by volume diesel engine, oxygen cycle, and optionally hydrocarbon fuels. The fuel of the invention has at least two distinct oxygenates with a total of 4 functional groups in the mixture comprising the alcohol, ether, ester, nitrate ether, aldehyde, ketone, acetal, peroxide and epoxide groups. More preferably, the fuel would have at least one compound from each group described above. US 4,992,605 deals with the hydroconversion of vegetable oils into hydrotreating catalysts, producing high cetane paraffins corresponding to the fatty acids of the original triglycerides. US Published Application US 2006/0186020 teaches the hydroconversion of triglycerides in diesel HDT reactors, blended up to 75% by weight of the load, generating the high cetane paraffins already blended with the fuel-specified diesel stream . US 7,279,018 deals with the hydrogenation of the same triglycerides, with additional isomerization in order to decrease the mist point of the product. The hydrogenation and isomerization product is then mixed with diesel and optionally with another oxygenate. The disadvantage of these processes is that vegetable oils and animal fats (triglycerides) are not as readily available as cellulose. US Published Application US 2006/0096158 teaches the use of cyclic ester or lactone to compose gasoline or diesel. Use as gasoline is preferable since single lactones without long chain bonds are of high octane. A lactone such as γ-Valerolactone may be obtained from levulinic acid, which may be obtained from hydroxymethylfurfural, which may be obtained from cellulose.
Outras patentes ensinam a obtenção de produtos não-oxigenados a partir de fontes renováveis como os terpenóides ou isoprenóides (derivados biossintéticos do isopreno). A patente US 7.029.506 trata do uso do terpeno β-caroteno e similares (carotenóides, precursores de caroteno) como aditivo de diesel, em pequenas quantidades. Os compostos podem ser extraídos de plantas como a ervilhaca e de determinadas algas. A quantidade de caroteno obtida da biomassa é pequena. O pedido publicado norte-americano US 2008/0083158 ensina a modificação genética de microorganismos para produção do isoprenóide farnesano e derivados, e uso desses compostos como aditivo ou componente do diesel. O farnesano é produzido por cultivo celular, consumindo açúcares. Os áçucares são consumidos pelo crescimento da biomassa, gerando o isoprenóide em pequena quantidade. A multiplicidade de patentes para obtenção de combustíveis renováveis para motor do ciclo diesel mostra que a arte ainda necessita de novos produtos, de melhor qualidade de ignição e obtidos a partir da biomassa com maior rendimento. Em geral, os produtos são pouco compatíveis com o diesel e de baixa capacidade de ignição (ex.: etanol), ou obtidos de fontes que não a celulósica (ex.: biodiesel), ou são obtidos por uma série grande de operações onde há perda de rendimento (ex.: produtos de gás de síntese, este obtido da gaseificação da biomassa).Other patents teach obtaining non-oxygenated products from renewable sources such as terpenoids or isoprenoids (biosynthetic derivatives of isoprene). US Patent 7,029,506 deals with the use of terpene β-carotene and the like (carotenoids, carotene precursors) as a diesel additive in small quantities. The compounds can be extracted from plants such as vetch and certain algae. The amount of carotene obtained from biomass is small. US Published Application US 2008/0083158 teaches the genetic modification of microorganisms to produce farnesane isoprenoid and derivatives, and use of these compounds as an additive or component of diesel. Farnesan is produced by cell culture, consuming sugars. Sugar is consumed by biomass growth, generating isoprenoid in small quantities. The multiplicity of patents for renewable diesel engine fuels shows that the art still needs new products, better ignition quality and obtained from higher yielding biomass. In general, products are poorly compatible with diesel and have low ignition capacity (eg ethanol), or are obtained from sources other than cellulosic (eg biodiesel), or are obtained by a large series of operations where there is yield loss (eg synthesis gas products obtained from biomass gasification).
As patentes apresentadas anteriormente discutem o uso de compostos oxigenados renováveis como componentes principais de combustíveis de motores do ciclo Diesel. Outra possibilidade de aplicação de compostos renováveis é o uso destes como promotores de ignição.The patents presented above discuss the use of renewable oxygenated compounds as major components of diesel engine fuel. Another possibility of application of renewable compounds is their use as ignition promoters.
Usualmente compostos nitrados são utilizados como melhoradores de cetano, principalmente o 2-etilhexil nitrato. Tais compostos são usualmente derivados de álcoois submetidos a soluções sulfonítricas (H2S04 + HN03) ou outros métodos de nitração conhecidos na arte. A patente US 2.066.506 trata do uso de nitratos de derivados de álcoois polihídricos, como o 1,2-propilenoglicol dinitrato. A patente US 2.378.466 ensina o uso de dinitrato de um poli 1,2-alquileno glicol como melhorador de cetano. A patente US 2.280.217 ensina que alquil nitratos leves, como o etil-nitrato (produto da nitração do etanol) pode levar a problemas de ponto de fulgor, sendo preferíveis nitratos pesados, com grupos alquil de mais de 5, preferencialmente mais de 6 carbonos.Usually nitrated compounds are used as cetane improvers, mainly 2-ethylhexyl nitrate. Such compounds are usually derived from alcohols subjected to sulfonitic solutions (H2SO4 + HNO3) or other nitration methods known in the art. US 2,066,506 deals with the use of nitrates from polyhydric alcohol derivatives, such as 1,2-propylene glycol dinitrate. US 2,378,466 teaches the use of dinitrate of a poly 1,2-alkylene glycol as a cetane enhancer. US Patent 2,280,217 teaches that light alkyl nitrates such as ethyl nitrate (ethanol nitration product) can lead to flash point problems, with heavy nitrates having alkyl groups of more than 5, preferably more than 6, being preferred. carbons.
As patentes US 4.405.335 e US 4.406.665 tratam respectivamente do uso do tetrahidrofurandiol dinitrato e do tetrahidrofuranol nitrato como melhoradores de cetano. A patente US 4.659.335 ensina o uso de ésteres de ácido nítrico de monosacarídeos e/ou polissacarídeos, preferencialmente a nitrocelulose, mais um poliéter como melhoradores de cetano. A patente US 4.705.534 trata do uso de diversos polinitratos (ésteres de polinitratos), mais aminas selecionadas (como estabilizadores), para aumento de cetano em diesel e álcool combustíveis. Como polinitratos são citados o etilenoglicol dinitrato, trietileno glicol dinitrato, nitroglicerina, celulose tri, di e mononitrato e misturas, entre outros. Nitrocelulose tem solubilidade limitada em hidrocarbonetos e alta viscosidade. A patente US 5.096.462 trata do uso do ácido nítrico para dissolução da celulose da biomassa, sendo a corrente então submetida à reação com óxido de etileno (o que alquila alguns grupos -OH da celulose, reação conhecida como etoxilação) e posteriormente a adição de agente desidratante como o H2S04, mais o HN03 terminando por nitrar o produto. O produto nitrado é então incorporado a álcool como o metanol ou etanol para usar em motores do ciclo diesel. O uso como aditivo de cetano em mistura com hidrocarbonetos não é reivindicado. A patente US 5.454.842 trata do uso como melhorador de cetano dos produtos da nitração de álcoois de ácidos graxos. Os teores reivindicados para utilização no diesel são de 0.01% a 2% em massa.US 4,405,335 and US 4,406,665 deal respectively with the use of tetrahydrofurandiol dinitrate and tetrahydrofuranol nitrate as cetane improvers. US 4,659,335 teaches the use of monosaccharide and / or polysaccharide nitric acid esters, preferably nitrocellulose, plus a polyether as cetane improvers. US 4,705,534 addresses the use of various polynitrates (polynitrate esters) plus selected amines (as stabilizers) for increasing cetane in diesel and alcohol fuels. Polynitrates include ethylene glycol dinitrate, triethylene glycol dinitrate, nitroglycerine, tri, di and mononitrate cellulose and mixtures, among others. Nitrocellulose has limited hydrocarbon solubility and high viscosity. US Patent 5,096,462 deals with the use of nitric acid to dissolve cellulose from biomass, the current being then subjected to reaction with ethylene oxide (which alkylates some cellulose -OH groups, a reaction known as ethoxylation) and then the addition dehydrating agent such as H2SO4, plus HN03 eventually nitrating the product. The nitrated product is then incorporated into alcohol such as methanol or ethanol for use in diesel cycle engines. Use as a cetane additive in admixture with hydrocarbons is not claimed. US 5,454,842 deals with the use as cetane enhancer of fatty acid alcohol nitration products. The levels claimed for use in diesel are from 0.01% to 2% by mass.
Outra possibilidade de obtenção de derivados úteis diretamente da celulose e/ou sacarose envolve o uso de dianidrohexitóis. Os dianidrohexitóis podem ser produzidos na etapa inicial de hidrólise, hidrogenação das hexoses (glucose no caso da celulose ou amido, e glucose mais frutose no caso da sacarose) a hexitóis (glucitol ou sorbitol no caso da D-glucose, e sorbitol mais manitol no caso da frutose) e posterior desidratação dupla, resultando nos dianidrohexitóis (isosorbida ou 1,4:3,6-Dianidro-D-glucitol no caso do sorbitol e isomanida ou 1,4:3,6-Dianidro-D-manitol a partir do manitol), de fórmula Ο6Η10Ο4.Another possibility of obtaining useful derivatives directly from cellulose and / or sucrose involves the use of dianhydrohexitols. Dianhydrohexitols can be produced in the initial hydrolysis step, hydrogenation of hexoses (glucose for cellulose or starch, and glucose plus fructose for sucrose) to hexitols (glucitol or sorbitol for D-glucose, and sorbitol plus mannitol for fructose) and subsequent double dehydration resulting in dianhydrohexitols (isosorbide or 1,4: 3,6-Dianhydro-D-glucitol in the case of sorbitol and isomanide or 1,4: 3,6-Dianhydro-D-mannitol from mannitol) of formula Ο6Η10Ο4.
Os dianidrohexitóis têm a estrutura geral (que descreve os isômeros isosorbida, isomanida e isoidida) conforme a Fórmula-1 abaixo: A obtenção dos dianidrohexitóis por conversão de biomassa celulósica pode ser vantajosa em relação à obtenção de etanol, uma vez que todos os carbonos presentes na celulose (e sacarose) são convertidos no produto final, e esquemas de separação que não envolvam destilação podem ser empregados com significativa eficiência energética. Um processo seletivo de obtenção de isosorbida a partir da celulose usando sais fundidos hidratados é conhecido, vide o artigo por Almeida, R.M. et al., Lignocellulosics Conversion in a Molten Salt Hydrate Médium into Platform Chemical/Fuel - Conference Catalysis for Ultra Clean Fuels -Dalian, China, 21-24 Julho 2008.Dianhydrohexitols have the general structure (which describes the isosorbide, isomanide and isoidide isomers) according to Formula-1 below: Obtaining dianhydrohexitols by converting cellulosic biomass may be advantageous over obtaining ethanol, since all carbons present Cellulose (and sucrose) are converted into the final product, and separation schemes that do not involve distillation can be employed with significant energy efficiency. A selective process of obtaining isosorbide from cellulose using hydrated molten salts is known, see the article by Almeida, RM et al., Lignocellulosics Conversion in a Molten Salt Hydrate Medium in Platform Chemical / Fuel - Conference Catalysis for Ultra Clean Fuels - Dalian, China, 21-24 July 2008.
Os dianidrohexitóis como a isosorbida têm sido utilizados como plastificante de PVC e monômero renovável. Derivados como mononitrato e dinitrato de isosorbida são utilizados PA ra tratamento de infarto do miocárdio vide o artigo por Flèche, G.; Huchette, M., Isosorbide -preparation, properties and chemistry. Starch / Stãrke, vol. 38, n 1, (1986), S 26 - 30. A maior parte dos processos de desidratação de hexitóis não são seletivos. O processo de desidratação do sorbitol (glucitol) em meio ácido leva à formação inicial de 1,4 e 2,5 anidro-D-glucitol - ambos os compostos são conhecidos como sorbitana. Sequencialmente o 1,4 anidro-D-glucitol pode ser desidratado ao 1,4-3,6 dianidro-D-glucitol (isosorbida). O 2,5 anidro-D-glucitol, por sua vez não sofre a segunda desidratação. A mistura contendo preferencialmente os produtos da primeira desidratação do sorbitol é chamada de sorbitana e é facilmente esterificada com ácidos graxos. A patente US 4.297.290 descreve um processo de obtenção de ésteres de sorbitana. Os ésteres de sorbitana, usados como surfactantes, são disponíveis comercial mente de diversos fabricantes Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley- Surfactants / Nonionic Surfactants. DOI: 10.1002/14356007.a25-747. Ésteres de sorbitana são utilizados em formulações de emulsões com diesel, conforme ensina a patente US 4.477.258. Teores de 97% a 90% em volume de diesel são misturados a uma solução aquosa de etanol e/ou metanol de pelo menos 5% do total, e de 3% a 10% em volume de mistura emulsionante contendo monooleato de sorbitana e um surfactante não-iônico etoxilado. A patente US 4.604.102 cita a utilização de pacote de aditivo para motores do ciclo Diesel contendo (i) um acelerador de combustão (nitrato orgânico) e (ii) ésteres de sorbitana, diminuindo o coqueamento nos bicos de injeção de combustível. Preferencialmente a quantidade da mistura (i) e (li) no combustível é de 0,01% a 1% em massa. A patente US 6.156.081 ensina a formulação de outro pacote de aditivo para inibição de corrosão e facilitar a combustão, contendo um agente surfactante - é reivindicado um éster de sorbitana, um óleo lubrificante, e um hidrocarboneto saturado contendo de 14 a 17 carbonos. A razão reivindicada do diesel para o pacote de aditivos é de 1:200 a 1:2000. A patente US 6.527.816 ensina a utilização de derivados da isosorbida como detergente para diminuição dos depósitos em gasolina. Os compostos são obtidos a partir da reação da isosorbida com compostos que tem grupo epóxido. Teores citados nos exemplos são de 400 mg do composto/L de gasolina.Dianhydrohexitols such as isosorbide have been used as a PVC plasticizer and renewable monomer. Derivatives such as isosorbide mononitrate and dinitrate are used for the treatment of myocardial infarction see article by Flèche, G .; Huchette, M., Isosorbide-preparation, properties and chemistry. Starch / Stärke, Vol. 38, No. 1 (1986), 26-30. Most hexitol dehydration processes are not selective. The dehydration process of sorbitol (glucitol) in acid medium leads to the initial formation of 1,4 and 2,5 anhydrous D-glucitol - both compounds are known as sorbitan. Sequentially anhydrous 1,4-D-glucitol may be dehydrated to 1,4-3,6 dianhydro-D-glucitol (isosorbide). The anhydrous 2.5-D-glucitol in turn does not suffer from the second dehydration. The mixture preferably containing the products of the first sorbitol dehydration is called sorbitan and is easily esterified with fatty acids. US 4,297,290 describes a process for obtaining sorbitan esters. Sorbitan esters used as surfactants are commercially available from various manufacturers Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-Surfactants / Nonionic Surfactants. DOI: 10,1002 / 14356007.a25-747. Sorbitan esters are used in diesel emulsion formulations as taught in US 4,477,258. 97% to 90% by volume of diesel are mixed with an aqueous ethanol and / or methanol solution of at least 5% of the total, and 3 to 10% by volume of an emulsifier mixture containing sorbitan monooleate and a surfactant. nonionic ethoxylated. US Patent 4,604,102 cites the use of Diesel cycle engine additive package containing (i) a combustion accelerator (organic nitrate) and (ii) sorbitan esters, reducing coking in the fuel injection nozzles. Preferably the amount of the mixture (i) and (li) in the fuel is from 0.01% to 1% by mass. US 6,156,081 teaches the formulation of another corrosion inhibiting and combustion facilitating additive package containing a surfactant - a sorbitan ester, a lubricating oil, and a saturated hydrocarbon containing 14 to 17 carbons is claimed. The claimed ratio of diesel to the additive package is 1: 200 to 1: 2000. US 6,527,816 teaches the use of isosorbide derivatives as a detergent for reducing gasoline deposits. The compounds are obtained from the reaction of isosorbide with compounds having epoxide group. Contents cited in the examples are 400 mg of the compound / L of gasoline.
As patentes US 6.648.929 e US 6.858.046 (continuação) ensinam composições de combustível emulsionadas com água contendo ésteres de sorbitana como um dos componentes do pacote de aditivos reivindicado. A patente US 7.182.797 ensina a utilização de um pacote de aditivos para diesel contendo oleato de sorbitana, um polioxietileno álcool, um alquileno glicol e uma amina.US 6,648,929 and US 6,858,046 (continued) teach water-emulsified fuel compositions containing sorbitan esters as one of the components of the claimed additive package. US 7,182,797 teaches the use of a diesel additive package containing sorbitan oleate, a polyoxyethylene alcohol, an alkylene glycol and an amine.
Um alquil éter da isosorbida, a dimetil isosorbida, é utilizada como componente de produtos de cuidado pessoal e formulação de fármacos, vide o artigo por Malhotra, S.V. et al. Applications of Corn-Based Chemistry. The Bridge (2007) vol. 37 (4).An isosorbide alkyl ether, dimethyl isosorbide, is used as a component of personal care products and drug formulations, see article by Malhotra, S.V. et al. Applications of Corn-Based Chemistry. The Bridge (2007) vol. 37 (4).
Processos para produção de dimetil isosorbida são conhecidos na arte atual, como a publicação PCT WO 2007/096511, onde a isosorbida é tratada com cloreto de metila na presença de um agente alcalino. A patente US 4.585.649 ensina formulações de dentifrícios (podendo ser creme dental, desinfectante bucal, goma de mascar, palitos de dente e fio dental) contendo monoéteres e diéteres de dianidrohexitóis. Os monoéteres e diéteres de isosorbida se mostraram efetivos na redução de multiplicação de bactérias causadoras de placa. O estado da arte mostra a multiplicidade de soluções apresentadas para a obtenção de combustíveis renováveis para motores do ciclo Diesel. Entretanto ainda se procura combustível derivado da celulose que não o etanol, que tenha solubilidade no diesel, capacidade de combustão (elevado cetano), que seja obtido em grande rendimento e possa ser usado em quantidade significativa no diesel.Processes for producing dimethyl isosorbide are known in the current art, such as PCT publication WO 2007/096511, where isosorbide is treated with methyl chloride in the presence of an alkaline agent. US 4,585,649 teaches toothpaste formulations (which may be toothpaste, mouthwash, chewing gum, toothpicks, and dental floss) containing dianhydrohexitol monoethers and diethers. Isosorbide monoethers and diethers were effective in reducing the multiplication of plaque-causing bacteria. The state of the art shows the multitude of solutions presented for obtaining renewable fuels for diesel cycle engines. However, cellulose derived fuel other than ethanol is still sought, which has solubility in diesel, combustion capacity (high cetane), which is obtained in high yield and can be used in significant quantities in diesel.
Assim, a técnica ainda necessita de composições para uso em motores do ciclo Diesel à base de compostos derivados de dianidrohexitóis e que apresentam as características desejadas de alta densidade, ponto de fulgor, teor de oxigênio, ponto de ebulição e capacidade de combustão que facultem o seu uso. Ainda, como caso particular, se requer o uso de dinitratos de dianidrohexitóis como acelerador de combustão.Thus, the technique still requires compositions for use in diesel cycle engines based on dianhydrohexitol-derived compounds which have the desired characteristics of high density, flash point, oxygen content, boiling point and combustion capacity to provide its use. Also, as a particular case, the use of dianhydrohexitol dinitrates as a combustion accelerator is required.
Oxigenados derivados de fonte renovável, que possam ser utilizados como componente do combustível de motor de ciclo Diesel, em qualquer quantidade, sendo tais compostos descritos e reivindicados no presente pedido.Renewable source oxygenates which may be used as a component of Diesel cycle engine fuel in any amount, such compounds being described and claimed in the present application.
SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION
De um modo amplo, a invenção trata da formulação de combustível para motor do ciclo Diesel compreendendo pelo menos um dianidrohexitol ou derivado, de Fórmula-2 abaixo: Onde R’ e R” são selecionados entre -H, hidrocarbila e -N02.Broadly, the invention relates to the Diesel cycle engine fuel formulation comprising at least one dianhydrohexitol or derivative of Formula-2 below: Where R 'and R' are selected from -H, hydrocarbyl and -N02.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é um gráfico que ilustra a utilização da isosorbida dinitrato (ISDN) como melhorador de ignição do diesel, segundo os EXEMPLOS 1 e 2. A Figura 2 é um gráfico que ilustra a utilização de misturas de isosorbida, etanol e água e opcionalmente em mistura com a dimetil isosorbida (DMI) como combustível de motor do ciclo Diesel, e o efeito da ISDN na ignição dessas misturas, segundo os EXEMPLOS 3 e 4. A Figura 3 é um gráfico que ilustra o efeito, na ignição do combustível, da adição de dimetil isosorbida (DMI) tanto na mistura de isosorbida, etanol e água, quanto na mistura com diesel, segundo os EXEMPLOS 5 e 6.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a graph illustrating the use of isosorbide dinitrate (ISDN) as a diesel ignition enhancer according to EXAMPLES 1 and 2. Figure 2 is a graph illustrating the use of mixtures of isosorbide, ethanol and water and optionally in admixture with dimethyl isosorbide (DMI) as diesel engine motor fuel, and the effect of ISDN on ignition of these mixtures according to EXAMPLES 3 and 4. Figure 3 is a graph illustrating the effect on ignition of the fuel, the addition of dimethyl isosorbide (DMI) in the mixture of isosorbide, ethanol and water, and in the mixture with diesel, according to EXAMPLES 5 and 6.
A Figura 4 é um gráfico que ilustra o efeito da adição da isosorbida dinitrato na ignição da dimetil isosorbida (DMI), segundo o EXEMPLO 8. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A invenção consiste usar dianidrohexitóis e seus derivados como combustíveis de motor do ciclo Diesel. Mais especificamente, os dianidrohexitóis e derivados podem estar presentes em uma pequena quantidade no combustível, como 0,05 %massa, ou compreenderem a totalidade do combustível.Figure 4 is a graph illustrating the effect of the addition of isosorbide dinitrate on ignition of dimethyl isosorbide (DMI) according to EXAMPLE 8. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention consists of using dianhydrohexitols and their derivatives as diesel cycle engine fuels. More specifically, dianhydrohexitols and derivatives may be present in a small amount in the fuel, such as 0.05 mass%, or comprise the entire fuel.
Os dianidrohexitóis ou derivados da presente invenção têm a fórmula-2 abaixo: Onde, R’ e R” são selecionados entre -H (dianidrohexitol), hidrocarbilas, como os mono ou dialquil dianidrohexitóis e o -N02, formando o mono ou dinitrato de dianidrohexitóis.The dianhydroxytols or derivatives of the present invention have the formula-2 below: Where R 'and R' are selected from -H (dianhydroxytol), hydrocarbons such as mono or dialkyl dianhydroxytols and -N02, forming the dianhydroxythols mono or dinitrate .
Dianidrohexitóis podem ser obtidos de carboidratos como os polissacarídeos celulose, amido, o dissacarídeo sacarose, e os monossacarídeos galactose, entre outros. Preferencialmente são obtidos do amido, celulose ou sacarose. Mais preferencialmente, da celulose e/ou sacarose. A celulose e o amido são polímeros do monosacarídeo D-glucose (por brevidade são considerados apenas os monosacarídeos dextrógeros, que ocorrem naturalmente, donde por glucose entenda-se no texto D-glucose e hexitóis como D-hexitóis). A sacarose é um dissacarídeo composto por uma frutose e uma glucose. A celulose, o amido e a sacarose podem ser hidrolisados aos monossacarídeos correspondentes.Dianhydrohexitols can be obtained from carbohydrates such as cellulose polysaccharides, starch, sucrose disaccharide, and galactose monosaccharides, among others. Preferably they are obtained from starch, cellulose or sucrose. More preferably, cellulose and / or sucrose. Cellulose and starch are polymers of the D-glucose monosaccharide (briefly considered only naturally occurring dextrogens monosaccharides, from which glucose is understood to mean D-glucose and hexitols as D-hexitols). Sucrose is a disaccharide composed of a fructose and a glucose. Cellulose, starch and sucrose may be hydrolyzed to the corresponding monosaccharides.
Tanto a glucose quanto a frutose podem ser hidrogenados ao álcool de açúcar ou hexitol correspondente. O hexitol produto da hidrogenação da glucose é o sorbitol, enquanto a hidrogenação da frutose resulta em mistura de sorbitol e manitol. O iditol é produto da hidrogenação da hexose galactose.Both glucose and fructose may be hydrogenated to the corresponding sugar alcohol or hexitol. The hexitol glucose hydrogenation product is sorbitol, while fructose hydrogenation results in a mixture of sorbitol and mannitol. Iditol is a product of hydrogenation of hexose galactose.
Os hexitóis sorbitol, manitol ou iditol podem ser por sua vez desidratados a anidrohexitóis e novamente desidratados a dianidrohexitóis.Sorbitol, mannitol or iditol hexitols may in turn be dehydrated to anhydrohexitols and again dehydrated to dianhydrohexitols.
Os dianidrohexitóis, estereoisômeros isosorbida, isomanida e isoidida são, respectivamente, Fórmulas 1a, 1b e 1c: Um dos métodos preferidos de obtenção de dianidrohexitóis é o descrito em Almeida, R.M. et al., 2008, citado acima. O método consiste da dissolução de celulose e/ou sacarose em solução de sal fundido hidratado e ácido como o ZnCI2 e HCI, onde se obtêm os produtos de hidrólise (monossacar(deos), que são então após remoção do ácido as hexoses hidrogenadas a hexitóis no meio de sal fundido, e a temperatura mais elevada ocorre a desidratação dupla das moléculas dos hexitóis a dianidrohexitóis, que são então recuperados. O método empregado na obtenção dos dianidrohexitóis não é e não deve ser entendido como fator limitante da invenção, esta sendo dirigida para composições combustíveis do ciclo Diesel contendo os dianidrohexitóis e derivados. Outros métodos de produção de dianidrohexitóis podem ser empregados.Dianhydrohexitols, isosorbide, isomanide and isoidide stereoisomers are respectively Formulas 1a, 1b and 1c: One of the preferred methods of obtaining dianhydroxytols is that described in Almeida, R.M. et al., 2008, cited above. The method consists of dissolving cellulose and / or sucrose in acid hydrated molten salt solution such as ZnCl2 and HCI, where hydrolysis products (monosaccharide (deos)) are obtained, which are then hydrogenated hexoses to hexitols after acid removal. in the molten salt medium and at the highest temperature there is double dehydration of the hexitol molecules to dianhydrohexitols, which are then recovered.The method employed in obtaining the dianhydrohexitols is not and should not be understood as a limiting factor of the invention and is being directed. for diesel cycle fuel compositions containing dianhydroxytols and derivatives Other dianhydroxytol production methods may be employed.
Além dos próprios dianidrohexitóis, hidrocarbil éteres e nitratos podem ser utilizados como combustíveis de motor do ciclo Diesel.In addition to the dianhydrohexitols themselves, hydrocarbyl ethers and nitrates can be used as diesel engine fuels.
Os hidrocarbil éteres podem ter como grupos substituintes R’ e R” alquilas ou cicloalquilas ou fenilas. Ainda, apenas um dos grupos R’ ou R” podem ser substituídos, sendo um dos grupos ο Η. O tamanho da cadeia alquila pode ser igual a 1 (metila), 2 (etila) ou maior do que 2. Na prática, limitações ao tamanho da cadeia serão restritas às propriedades desejadas do combustível - tamanho de cadeia muito longo resultaria em elevada temperatura de ebulição e alto ponto de névoa. Ainda, os grupos R’ e R” podem ser ambos alquilas, de tamanho igual ou diferente.The hydrocarbyl ethers may have R 'and R "alkyl or cycloalkyl or phenyl as substituent groups. Also, only one of the groups R 'or R' may be substituted, one of the groups being ο Η. The size of the alkyl chain may be 1 (methyl), 2 (ethyl) or greater than 2. In practice, chain size limitations will be restricted to the desired fuel properties - too long chain size would result in high temperature. boiling and high point of mist. Further, the groups R 'and R' may both be alkyls of the same or different size.
Na prática, o tamanho dos grupos hidrocarbil substituintes não deve ser considerado limitante da invenção, onde a novidade consiste no uso de hidrocarbil éteres como composições combustíveis de motores do ciclo Diesel.In practice, the size of the hydrocarbyl substituent groups should not be considered as limiting the invention, where the novelty is the use of hydrocarbyl ethers as fuel compositions of diesel cycle engines.
Além dos hidrocarbil éteres de dianidrohexitóis, a invenção também considera composições combustíveis para motor do ciclo Diesel que compreendem os éteres nítricos de dianidrohexitóis, a exemplo dos dinitratos de dianidrohexitóis, como a isosorbida dinitrato (ISDN). Além dos dinitratos ainda podem ser utilizados os mononitratos de dianidrohexitóis, ou misturas de mononitratos e dinitratos. O composto preferido na presente invenção para a composição combustível de motor do ciclo Diesel é o dímetil éter de isosorbida, ou dímetil isosorbida (DMI), conforme a Fórmula-3 abaixo: A dimetil isosorbida tem fórmula C8H1404, ponto de ebulição de 234°C a 242°C, teor de oxigênio de 36,74% e massa específica de 1,16 a 20/4°C. O ponto de fulgor é de 118°C e o ponto de congelamento menor do que -57°C.In addition to dianhydrohexitol hydrocarbyl ethers, the invention also contemplates diesel cycle engine fuel compositions comprising dianhydrohexitol nitric ethers, such as dianhydroxitol dinitrates such as isosorbide dinitrate (ISDN). In addition to dinitrates, dianhydrohexitol mononitrates or mixtures of mononitrates and dinitrates may also be used. The preferred compound of the present invention for the diesel cycle engine fuel composition is isosorbide dimethyl ether, or dimethyl isosorbide (DMI) according to Formula-3 below: Dimethyl isosorbide has formula C8H1404, boiling point 234 ° C at 242 ° C, 36.74% oxygen content and specific mass of 1.16 at 20/4 ° C. The flash point is 118 ° C and the freezing point is less than -57 ° C.
Outro componente que pode ser utilizado em composições combustíveis de motor do ciclo diesel é a própria isosorbida. A isosorbida tem fórmula C6H10O4, teor de oxigênio de 43,79% e massa específica de 1,377 a 20/4°C e ponto de ebulição elevado, acima de 270°C. Entretanto a temperatura de fusão é de 72°C - o que torna necessária a adição de água ou outro solvente para obter mistura solúvel nas condições ambientais, ou ter sistema de injeção de combustível aquecido. O ponto de névoa de uma mistura em massa de 80% de isosorbida, 10% de água e 10% de etanol é de -15°C. Além da água e etanol, outro derivado de dianidrohexitol, como a dimetil isosorbida, pode ser solvente da isosorbida.Another component that can be used in diesel cycle engine fuel compositions is isosorbide itself. Isosorbide has a formula C6H10O4, an oxygen content of 43.79% and a specific mass of 1.377 at 20/4 ° C and a high boiling point above 270 ° C. However, the melting temperature is 72 ° C - which makes it necessary to add water or another solvent to obtain a soluble mixture under ambient conditions or to have a heated fuel injection system. The mist point of a mass mixture of 80% isosorbide, 10% water and 10% ethanol is -15 ° C. In addition to water and ethanol, another dianhydrohexitol derivative, such as dimethyl isosorbide, may be isosorbide solvent.
Apesar da alta temperatura de ebulição da isosorbida, o teor de oxigênio na molécula é bastante elevado. Assim, a formação de precursores de fuligem na queima é desfavorecida. Ainda, a molécula é estável a temperaturas elevadas, ao contrário de outros oxigenados derivados diretamente da celulose, como a glucose, que tende a degradar quando submetida a temperaturas superiores a 185°C. No uso de monossacarídeos diretamente como combustível (vide patente US 4.425.136), além de sistemas de injeção especiais, o motor deve ser mantido a temperatura de pelo menos 500°C para evitar a caramelização e formação de depósitos. Temperaturas maiores do que as tipicamente encontradas nos sistemas de injeção e motores do ciclo Diesel não são necessárias na presente invenção.Despite the high boiling temperature of isosorbide, the oxygen content in the molecule is quite high. Thus, the formation of soot precursors in burning is disadvantaged. Moreover, the molecule is stable at elevated temperatures, unlike other oxygenates derived directly from cellulose, such as glucose, which tends to degrade when subjected to temperatures above 185 ° C. When using monosaccharides directly as fuel (see US Patent 4,425,136), in addition to special injection systems, the engine must be kept at a temperature of at least 500 ° C to avoid caramelization and deposit formation. Higher temperatures than typically encountered in diesel cycle injection systems and engines are not required in the present invention.
Os derivados hidrocarbil de dianidrohexitóis são as moléculas preferidas da presente invenção para uso como componente principal de composições combustíveis de motor do ciclo Diesel. Por componente principal, entende-se que o teor em massa do derivado é de pelo menos 10% massa, preferencialmente 25% massa, mais preferencialmente maior do que 50% massa.Hydrocarbyl derivatives of dianhydrohexitols are the preferred molecules of the present invention for use as a major component of diesel cycle engine fuel compositions. By principal component, it is understood that the mass content of the derivative is at least 10 mass%, preferably 25 mass%, more preferably greater than 50 mass%.
Os nitratos (éteres nítricos) de dianidrohexitóis são usados preferencialmente em pequenas quantidades, não mais do que 10% massa, caracterizando o seu uso como aditivo e não como componente principal. O dianidrohexitol dinitrato reivindicado preferencialmente na invenção é o dinitrato de isosorbida. Preferencialmente, quando nitratos de dianidrohexitóis são empregados, a concentração é de 0,01% a 5% massa, preferencialmente de 0,05% a 2% massa.Dianhydrohexitol nitrates (nitric ethers) are preferably used in small quantities, not more than 10% by weight, characterizing their use as an additive rather than as a major component. The dianhydrohexitol dinitrate preferably claimed in the invention is isosorbide dinitrate. Preferably, when dianhydrohexitol nitrates are employed, the concentration is from 0.01% to 5% by weight, preferably from 0.05% to 2% by weight.
Os nitratos de dianidrohexitóis podem ser empregados como únicos componentes derivados de celulose na mistura, ou serem empregados em conjunto com outros dianidrohexitóis e derivados. Uma reivindicação particular é o emprego de isosorbida dinitrato em mistura com diesel (hidrocarbonetos). Os Exemplos ilustram a presente invenção, de que nitratos de dianidrohexitóis podem ser utilizados como melhoradores de ignição, aumentando o cetano (medido por IQT, ASTM D6890) do combustível.Dianhydrohexitol nitrates may be employed as the sole cellulose-derived components in the mixture, or may be employed in conjunction with other dianhydroxytols and derivatives. A particular claim is the use of isosorbide dinitrate in admixture with diesel (hydrocarbons). The Examples illustrate the present invention that dianhydrohexitol nitrates can be used as ignition enhancers by increasing the cetane (measured by IQT, ASTM D6890) of the fuel.
Descobriu-se ser o uso de compostos como a isosorbida dinitrato vantajoso e a mesma ser solúvel em hidrocarbonetos típicos, os melhoradores de cetano convencionais, nitratos de monoálcoois, como o 2 etil hexil nitrato. Entretanto, surpreendentemente, tais melhoradores de cetano convencionais não podem ser empregados em maior quantidade em misturas de caráter mais polar, como a solução de isosorbida, etanol e água, sendo os nitratos de dianidrohexitóis da presente invenção completamente solúveis. Assim, é reivindicação da presente invenção o uso de combustíveis de motor do ciclo diesel contendo os nitratos de dianidrohexitóis em combinação com dianidrohexitóis e/ou hidrocarbil éteres de dianidrohexitóis.It has been found that the use of compounds such as isosorbide dinitrate is advantageous and it is soluble in typical hydrocarbons, conventional cetane improvers, monoalcohol nitrates such as 2 ethyl hexyl nitrate. Surprisingly, however, such conventional cetane improvers cannot be employed in larger amounts in more polar mixtures, such as the isosorbide, ethanol and water solution, with the dianhydrohexitol nitrates of the present invention being completely soluble. Accordingly, it is a claim of the present invention to use diesel cycle engine fuels containing dianhydrohexitol nitrates in combination with dianhydrohexitols and / or dianhydrohexitol hydrocarbons.
Uma reivindicação preferida da presente invenção é o uso do aditivo isosorbida dinitrato combinado à dimetil isosorbida como composição combustível para uso em motores do ciclo diesel. Descobriu-se que, inesperadamente, o ganho de cetano para determinada massa de isosorbida dinitrato é significativamente maior na ignição da dimetil isosorbida do que na ignição do diesel de hidrocarbonetos do estado da arte atual.A preferred claim of the present invention is the use of the isosorbide dinitrate additive combined with dimethyl isosorbide as a fuel composition for use in diesel engine engines. Unexpectedly, the cetane gain for a given mass of isosorbide dinitrate was found to be significantly greater in the ignition of dimethyl isosorbide than in the state of the art hydrocarbon diesel ignition.
Diversos métodos são conhecidos no estado da arte para obtenção de derivados de dianidrohexitóis, e são listados meramente para indicar a viabilidade de produção dos derivados de dianidrohexitóis requeridos na presente invenção como componentes de combustíveis de motores do ciclo diesel. Basicamente, esses métodos consistem da proteção dos dois grupos hidroxila (álcool) presentes nos dianidrohexitóis.Several methods are known in the art to obtain dianhydroxytol derivatives, and are listed merely to indicate the feasibility of producing the dianhydroxytol derivatives required in the present invention as diesel cycle engine fuel components. Basically, these methods consist of the protection of the two hydroxyl groups (alcohol) present in dianhydroxytols.
Diversos métodos são conhecidos para metilação de álcoois, incluindo dióis, e podem ser utilizados para produzir um dimetil dianidrohexitol como a dimetil isosorbida. Vide o artigo por Selva, M. e A. Perosa, Green chemistry metrics: A comparative evaluation of dimethyl carbonate, methyl iodide, dimethyl sulfate and methanol as methylating agents. Green Chemistry (2008) vol. 10 (4) pp. 457-464 2/32 citam o uso de dimetil carbonato, metil iodeto, dimetil sulfato e metanol como agentes de metilação. O uso do dimetil carbonato, por suas características de fácil síntese e de capacidade de metilação, conforme Tundo, P. et al. The Chemistry of Dimethyl Carbonate. Acc. Chem.Res. (2002) vol. 35 (9) pp. 706-716 pode ser um método preferível para a obtenção da dimetil isosorbida. Como, além do produto metila o subproduto da metilação é um metanol, esse pode ser total, parcialmente ou não ser removido do produto, como a dimetil isosorbida. Assim, a mistura dimetil isosorbida e o metanol podem ser utilizados como componente do diesel.Several methods are known for methylation of alcohols, including diols, and may be used to produce a dimethyl dianhydrohexitol such as dimethyl isosorbide. See article by Selva, M. and A. Perosa, Green chemistry metrics: A comparative evaluation of dimethyl carbonate, methyl iodide, dimethyl sulfate and methanol as methylating agents. Green Chemistry (2008) vol. 10 (4) pp. 457-464 2/32 cite the use of dimethyl carbonate, methyl iodide, dimethyl sulfate and methanol as methylating agents. The use of dimethyl carbonate, due to its characteristics of easy synthesis and methylation capacity, according to Tundo, P. et al. The Chemistry of Dimethyl Carbonate. Acc. Chem.Res. (2002) vol. 35 (9) pp. 706-716 may be a preferable method for obtaining dimethyl isosorbide. Since, in addition to the methyl product, the methylation by-product is methanol, it may be totally, partially or not removed from the product, such as dimethyl isosorbide. Thus, the dimethyl isosorbide mixture and methanol may be used as a component of diesel.
Diversos métodos são conhecidos na arte para a alquilação de álcoois com olefinas, gerando alquil éteres dos álcoois originais, e que podem ser empregados para produzir alquil e dialquil dianidrohexitóis, como a dietil isosorbida. O eteno para produzir a dietil isosorbida pode ser proveniente do petróleo ou de fonte renovável, como a desidratação do etanol. A nafta de FCC é outra fonte possível de olefinas que podem ser utilizadas para alquilação dos dianidrohexitóis, principalmente olefinas terciárias como o isobuteno. Catalisadores de alquilação típicos são resinas ácidas, zeólitas, ácido fosfórico, ácido metonosulfônico, ácido toluenosulfônico, ácido tungstico, ácido nióbico, ácido sulfúrico, entre outros.Several methods are known in the art for alkylating alcohols with olefins, generating alkyl ethers of the original alcohols, and which may be employed to produce alkyl and dialkyl dianhydroxytols, such as diethyl isosorbide. Ethylene to produce diethyl isosorbide may come from petroleum or from a renewable source such as ethanol dehydration. FCC naphtha is another possible source of olefins that can be used for alkylation of dianhydrohexitols, especially tertiary olefins such as isobutene. Typical alkylation catalysts are acid resins, zeolites, phosphoric acid, metonosulfonic acid, toluenesulfonic acid, tungstic acid, niobic acid, sulfuric acid, among others.
Diversos métodos são conhecidos na arte para arilação de álcoois com aromáticos, e podem ser utilizados para gerar aril ou diaril éteres de dianidrohexitóis, como a difenil isosorbida.Several methods are known in the art for arylation of alcohols with aromatics, and may be used to generate aryl or diaryl ethers of dianhydroxytols, such as diphenyl isosorbide.
Para obtenção dos nitratos de dianidrohexitóis, o método comumente empregado é a nitração com solução sulfonítrica, usando HN03 como reagente e H2S04 como agente desidratante. Outros métodos são conhecidos no estado da arte, como o uso de pentóxido de nitrogênio.To obtain dianhydrohexitol nitrates, the commonly used method is nitration with sulfonitic solution, using HN03 as reagent and H2SO4 as dehydrating agent. Other methods are known in the art, such as the use of nitrogen pentoxide.
Os métodos empregados na obtenção dos derivados de dianidrohexitóis não são e não devem ser entendidos como fatores limitadores da invenção, dirigida para composições combustíveis compreendendo os dianidrohexitóis e derivados. Outros métodos de obtenção de derivados de dianidrohexitóis a partir dos dianidrohexitóis podem ser empregados, obtendo-se os mesmos compostos úteis na invenção. Os métodos aqui descritos são citados meramente a título de ilustração.The methods employed to obtain dianhydrohexitol derivatives are not and should not be construed as limiting factors of the invention directed to combustible compositions comprising dianhydroxytols and derivatives. Other methods of obtaining dianhydroxytol derivatives from dianhydroxytols can be employed to obtain the same compounds useful in the invention. The methods described herein are given by way of illustration only.
Dependendo do procedimento de obtenção dos dianidrohexitóis, pode haver anidrohexitóis não reagidos na composição do produto e estarem presentes no diesel, mas tem maior peso molecular e mais hidroxilas livres, o que dificulta a sua utilização para componentes de motor de ciclo diesel. A maior quantidade de hidroxilas livres dos anidrohexitóis também seriam desfavoráveis para obtenção de derivados hidrocarbil, uma vez que aumentariam o consumo dos agentes de proteção (eterificação, metilação, alquilação) das hidroxilas livres.Depending on the procedure for obtaining the dianhydrohexitols, there may be unreacted anhydrohexitols in the product composition and present in the diesel, but it has higher molecular weight and more free hydroxyls, making it difficult to use for diesel cycle engine components. The higher amount of free hydroxyls from anhydroxytols would also be unfavorable to obtain hydrocarbyl derivatives, since they would increase the consumption of the free hydroxyl protection agents (etherification, methylation, alkylation).
Esteres de sorbitana contendo ésteres de isosorbida também podem estar presentes no diesel. É conhecido no estado da arte a utilização desses compostos como agentes surfactantes inclusive em misturas de diesel e etanol e metanol.Sorbitan esters containing isosorbide esters may also be present in diesel. It is known in the art to use such compounds as surfactants even in mixtures of diesel and ethanol and methanol.
Outros agentes surfactantes conhecidos no estado da arte podem estar presentes em conjunto com os derivados utilizados na composição combustível de motor de ciclo diesel da presente invenção. Além dos ésteres de sorbitana são conhecidos no estado da arte emulsionantes aniônicos, como os ácidos carboxílicos, os catiônicos, como os sais de amina, não-iônicos, anfotéricos, bases nitrogenadas, etc. O próprio biodiesel preferencialmente o de mamona pode ser utilizado como agente surfactante, co-solvente. A patente US 3.490.237 cita vários agentes sufactantes que podem ser utilizados em conjunto com o combustível de motores de ciclo diesel contendo derivados de dianidrohexitóis da presente invenção.Other surfactants known in the art may be present in conjunction with the derivatives used in the diesel cycle engine fuel composition of the present invention. In addition to sorbitan esters are known in the state of the art anionic emulsifiers such as carboxylic acids, cationic as amine salts, nonionic, amphoteric, nitrogenous bases, etc. The biodiesel itself preferably that of castor oil may be used as a surfactant, co-solvent. U.S. Patent 3,490,237 cites various choking agents which may be used in conjunction with the dianhydroxytol derivative-containing diesel engine fuel of the present invention.
Além da utilização dos derivados de dianidrohexitóis puros, como a dimetil isosorbida, a presente invenção refere-se à mistura de diesel proveniente de hidrocarbonetos e os derivados de dianidrohexitóis. A solubilidade de derivados de dianidrohexitóis como a dimetil isosorbida pode ser menor do que 50% massa em correntes de diesel (hidrocarboneto) típicas. Assim, pode ser interessante a utilização de quantidade de co-solvente ou agente surfactante, como o biodiesel, constituindo preferencialmente menos de 20% e mais preferencialmente menos de 10% massa do diesel final. Esse problema é diminuído quando da utilização de cadeias alquila maiores do que a metila (Ci), e a adição de co-solvente pode não ser necessária.In addition to the use of pure dianhydrohexitol derivatives, such as dimethyl isosorbide, the present invention relates to the mixture of diesel derived from hydrocarbons and dianhydroxytol derivatives. The solubility of dianhydrohexitol derivatives such as dimethyl isosorbide may be less than 50% by mass in typical diesel (hydrocarbon) streams. Thus, it may be interesting to use an amount of co-solvent or surfactant such as biodiesel, preferably constituting less than 20% and more preferably less than 10% mass of the final diesel. This problem is diminished when using larger alkyl chains than methyl (C1), and the addition of co-solvent may not be necessary.
Esse problema pode ser evitado com formulações de mistura de diesel e derivados de dianidrohexitóis menores do que 50% no caso da dimetil isosorbida, ou menores do que a composição onde ocorre a formação de duas fases no caso de outros derivados de dianidrohexitóis.This problem can be avoided with mixtures of diesel and dianhydroxytol derivatives less than 50% in the case of dimethyl isosorbide, or smaller than the composition where two-phase formation occurs in the case of other dianhydroxytol derivatives.
Isso, entretanto, depende do procedimento de alimentação da carga ao motor. No caso de disponibilização de corrente de dianidrohexitóis e derivados sem hidrocarbonetos para alimentação ao tanque de combustível, pode ocorrer a insolubilização indesejada, caso já existisse no tanque de combustível quantidade prévia de hidrocarbonetos. Assim, quatro casos são reivindicados na presente invenção para evitar o problema da distribuição dos dianidrohexitóis e derivados como combustíveis de motor do ciclo Diesel: I) os dianidrohexitóis e/ou derivado de dianidrohexitóis contêm pacote de aditivos (co-solvente como o biodiesel e/ou outro agente surfactante); II) o diesel já contém surfactante ou co-solvente, como o biodiesel; III) os dianidrohexitóis e/ou derivado de dianidrohexitóis já são distribuídos com o diesel, de modo que a mistura com mais diesel sempre resulta em quantidade de dianidrohexitóis e/ou derivados menor do que a quantidade de saturação a partir da qual ocorre separação de fases; IV) os dianidrohexitóis e/ou derivados de dianidrohexitóis são distribuídos com o diesel e mais agente surfactante ou co-solvente.This, however, depends on the motor load feeding procedure. If dianhydrohexitols and non-hydrocarbon derivatives are available for supply to the fuel tank, undesired insolubilization may occur if there is already a prior hydrocarbon content in the fuel tank. Thus, four cases are claimed in the present invention to avoid the problem of distributing dianhydroxytols and derivatives as diesel cycle engine fuels: I) dianhydroxytols and / or dianhydroxytols derivative contain additive package (co-solvent such as biodiesel and / or other surfactant); II) diesel already contains surfactant or co-solvent, such as biodiesel; III) Dianhydrohexitols and / or dianhydrohexitol derivatives are already distributed with diesel, so mixing with more diesel always results in less dianhydrohexitols and / or derivatives than the amount of saturation from which phase separation occurs. ; IV) Dianhydroxytols and / or dianhydroxytol derivatives are distributed with diesel and more surfactant or co-solvent.
Os co-solventes e/ou agentes surfactantes empregados podem ser os conhecidos na arte, e ser até derivados de anidro e dianidrohexitóis, como os ésteres de sorbitana. Biodiesel, ésteres metílicos ou etíiicos de ácidos graxos obtidos de óleos vegetais por transesterificação podem ser utilizados como co-solventes. Biodiesel preferido é o de mamona, por conter hidroxila na cadeia do ácido graxo (ácido ricinoléico).The cosolvents and / or surfactants employed may be those known in the art, and may even be derived from anhydrous and dianhydrohexitols, such as sorbitan esters. Biodiesel, methyl or ethyl esters of fatty acids obtained from vegetable oils by transesterification may be used as co-solvents. Preferred biodiesel is castor oil because it contains hydroxyl in the fatty acid (ricinoleic acid) chain.
Outra diferença da presente invenção em comparação com o combustível renovável de celulose utilizado no estado da arte, o etanol, é que caso, a separação de fases ocorra e estejam sendo utilizados alquil dianidrohexitóis como a dimetil isosorbida, a fase mais polar (DMI) já tem cetano suficiente para utilização do produto como diesel. Assim, o impacto seria menor do que com etanol (motor deixaria de funcionar por baixa capacidade de ignição do etanol).Another difference of the present invention compared to the state-of-the-art renewable cellulose fuel ethanol is that if phase separation occurs and alkyl dianhydroxytols such as dimethyl isosorbide, the more polar phase (DMI) are already in use. has enough cetane to use the product as diesel. Thus, the impact would be less than with ethanol (engine would stop running due to low ethanol ignition capacity).
Assim, pode ser possível um outro caso de distribuição além do descrito acima: distribuição de derivados de dianidrohexitóis como componente único do combustível dos dianidrohexitóis.Thus, a further distribution case may be possible than described above: distribution of dianhydroxytol derivatives as the sole fuel component of dianhydroxytols.
Outro caso possível de utilização é a mistura de dianidrohexitóis e derivados de dianidrohexitóis, e opcionalmente etanol e água.Another possible use case is the mixture of dianhydroxytols and dianhydroxytol derivatives, and optionally ethanol and water.
Esta mistura pode conter ainda biodiesel e diesel hidrocarboneto, caso em que o etanol e a água estarão em proporções menores em relação aos outros componentes da mistura. Vide a este respeito à composição do Exemplo 7.This mixture may also contain biodiesel and hydrocarbon diesel, in which case ethanol and water will be in smaller proportions than the other components of the mixture. See in this regard the composition of Example 7.
Os derivados hidrocarbil dos dianidrohexitóis são capazes de solubilizar quantidade de água. No caso da dimetil isosorbida são capazes de formar soluções com água em qualquer quantidade. Assim, água pode ser adicionada para aumentar a economia do combustível e baixar a temperatura do motor de ciclo Diesel, cujo efeito sabidamente resulta na diminuição da emissão de NOx da combustão.The hydrocarbyl derivatives of dianhydrohexitols are capable of solubilizing water. In the case of dimethyl isosorbide they are capable of forming solutions with water in any amount. Thus, water may be added to increase fuel economy and lower the temperature of the diesel cycle engine, the effect of which is known to decrease combustion NOx emissions.
Outro ganho importante dos derivados da celulose como os derivados de dianidrohexitóis é o aumento do teor de oxigênio nos combustíveis de motor do ciclo Diesel da presente invenção. Sabe-se que a presença de oxigênio no combustível, acima de determinado patamar, inibe a formação de fuligem. Oxigenados de fonte renovável, empregados em motores do ciclo diesel, como o etanol, usualmente têm baixa massa específica, e conseqüentemente baixa densidade energética. A massa específica de 20/4°C da dimetil isosorbida é de 1,16, contra 0,7915 do etanol anidro, e o seu conteúdo energético é de 28 MJ/L, contra apenas 22 MJ/L do etanol, apesar de o teor de oxigênio da DMI (36,74 %massa) ser maior que o do etanol (34,73 %massa). Além disso, o cetano (IQT) da DMI é 51,77, enquanto o do etanol é de apenas 8.Another important gain of cellulose derivatives such as dianhydrohexitol derivatives is the increased oxygen content in the diesel cycle engine fuels of the present invention. The presence of oxygen in the fuel above a certain threshold is known to inhibit the formation of soot. Renewable oxygenates used in diesel cycle engines, such as ethanol, usually have low specific mass, and consequently low energy density. The specific mass of 20/4 ° C of dimethyl isosorbide is 1.16, against 0.7915 of anhydrous ethanol, and its energy content is 28 MJ / L, compared to only 22 MJ / L of ethanol, although DMI oxygen content (36.74 mass%) is higher than ethanol (34.73 mass%). In addition, DMI cetane (IQT) is 51.77, while ethanol is only 8.
Mesmo a isosorbida tem maior conteúdo energético: massa específica 20/4°C de 1,377, teor de oxigênio de 43,79% massa e conteúdo energético de 27,6 MJ/L.Even isosorbide has a higher energy content: specific mass 20/4 ° C of 1,377, oxygen content of 43.79% mass and energy content of 27.6 MJ / L.
Assim, o ganho da presente invenção é significativo: uso como combustível de ciclo diesel de oxigenados derivados da celulose com maior densidade, maior teor de oxigênio, maior densidade energética do que o etanol, maior afinidade por hidrocarbonetos, além de maior número de cetano. O modo de preparação das composições combustíveis da invenção é por simples mistura dos componentes dianidrohexitóis e derivados com diesel de hidrocarboneto, biodiesel, etanol ou água, sob agitação ou não. No caso de haver separação de fases, podem ser adicionados surfactantes e/ou co-solventes como descrito anteriormente no presente relatório. A invenção será ilustrada pelos seguintes Exemplos, que não devem ser considerados limitativos. EXEMPLO 1 O Exemplo 1 é um Exemplo de controle. O efeito do melhorador de cetano mais comumente empregado, o 2 etil.hexil nitrato (2EHN), foi avaliado com diesel hidrotratado típico. O diesel apresentou densidade 20/4°C de 0,8798, teor de enxofre de 154 ppm e a análise de cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (GC/MS), composição de 16,5% massa de parafinas, 40,6% massa de nafíênicos, 27,6% massa de monoaromáticos, 12,2% massa de diaromáticos e 2% massa de triaromáticos.Thus, the gain of the present invention is significant: use as diesel cycle fuel of higher density cellulose-derived oxygenates, higher oxygen content, higher energy density than ethanol, higher affinity for hydrocarbons, and higher cetane number. The mode of preparation of the fuel compositions of the invention is by simply mixing the dianhydroxytol components and derivatives with hydrocarbon diesel, biodiesel, ethanol or water, whether or not agitated. In case of phase separation, surfactants and / or co-solvents may be added as described earlier in this report. The invention will be illustrated by the following Examples, which are not to be construed as limiting. EXAMPLE 1 Example 1 is a Control Example. The effect of the most commonly used cetane improver, 2 ethyl.hexyl nitrate (2EHN), was evaluated with typical hydrotreated diesel. Diesel had a 20/4 ° C density of 0.8798, a sulfur content of 154 ppm and a gas chromatography-mass spectrometry (GC / MS) analysis, 16.5% paraffin mass, 40.6 % naphthenic mass, 27.6% monoaromatic mass, 12.2% diaromatic mass and 2% triaromatic mass.
Diversos teores de 2EHN foram adicionados a diesel hidrotratado e o atraso na ignição, expresso como cetano estimado ou IQT, foi determinado pelo método IQT (Ignition Quality Tester), ASTM D6890. A Tabela 1 apresenta os valores de IQT do diesel e misturas com diesel e 2EHN. O resultado aponta o aumento típico de 2 pontos de cetano para 500 ppm de 2EHN. EXEMPLO 2 Este Exemplo ilustra a preparação e uso de dinitrato de isosorbida (ISDN) como aditivo promotor de combustão em composições de diesel.Several levels of 2EHN were added to hydrotreated diesel and the ignition delay, expressed as estimated cetane or IQT, was determined by the ASTM D6890 IQT (Ignition Quality Tester) method. Table 1 shows the IQT values of diesel and diesel and 2EHN mixtures. The result points to the typical increase of 2 cetane points to 500 ppm from 2EHN. EXAMPLE 2 This Example illustrates the preparation and use of isosorbide dinitrate (ISDN) as a combustion promoting additive in diesel compositions.
Preparou-se solução sulfonítrica contendo 100 mL de H2S04 a 98% e 70 mL de HN03 a 68%. A mistura foi mantida agitada em banho resfriado a 0°C, sendo adicionados também 160 g de triclorometano. Uma solução de isosorbida, 25 g dissolvidas em 6,5 g de água foi adicionada gota a gota para que a temperatura da mistura não passasse de 8°C. Após 30 minutos a mistura foi adicionada a 300 g de gelo. A fase orgânica foi separada, lavada com solução de bicarbonato de sódio para remoção do ácido dissolvido e o solvente removido em rotavapor. Cerca de 32 g de produto foram recuperados. A amostra foi resfriada resultando em cristalização. Foi efetuada análise elementar do material, sendo obtido C=30,77% H=3,41% 0=53,97% N=11,77%. A fórmula da isosorbida dinitrato (ISDN) é C6H808N2, o que equivale a 30,52% de C, 3,41% de H, 54,20% de O e 11,86% de N. A comparação mostra que o ISDN foi obtido com razoável grau de pureza.Sulfonitic solution containing 100 mL of 98% H2 SO4 and 70 mL of 68% HNO3 was prepared. The mixture was kept stirred in a cold bath at 0 ° C and 160 g of trichloromethane were added. A solution of isosorbide, 25 g dissolved in 6.5 g of water was added dropwise so that the temperature of the mixture did not exceed 8 ° C. After 30 minutes the mixture was added to 300 g of ice. The organic phase was separated, washed with sodium bicarbonate solution to remove dissolved acid and the solvent removed by rotavap. About 32 g of product was recovered. The sample was cooled resulting in crystallization. An elemental analysis of the material was performed, obtaining C = 30.77% H = 3.41% 0 = 53.97% N = 11.77%. The isosorbide dinitrate (ISDN) formula is C6H808N2, which is equivalent to 30.52% C, 3.41% H, 54.20% O and 11.86% N. Comparison shows that ISDN was obtained with reasonable purity.
Diversos teores de ISDN foram adicionados ao diesel hidrotratado do Exemplo-1. A ISDN solubilizou no diesel em todas as proporções empregadas. O atraso na ignição das misturas diesel e ISDN é apresentado na Tabela 2.Several ISDN contents were added to the hydrotreated diesel of Example-1. ISDN solubilized in diesel in all proportions employed. The ignition delay of diesel and ISDN mixtures is presented in Table 2.
Os resultados do uso de 2EHN e a ISDN como promotores de combustão são apresentados na Figura 1. Em teores elevados (0,5%) o ganho de cetano é similar. O resultado mostra que a isosorbida nitrada pode ser utilizada como promotor de combustão. EXEMPLO 3 O Exemplo mostra a utilização da isosorbida como combustível em motor do ciclo Diesel.The results of using 2EHN and ISDN as combustion promoters are shown in Figure 1. At high levels (0.5%) cetane gain is similar. The result shows that nitrated isosorbide can be used as a combustion promoter. EXAMPLE 3 The Example shows the use of isosorbide as a fuel in a diesel engine.
Obteve-se a dissolução da isosorbida em água e etanol. A proporção foi de 80% massa isosorbida, 10% massa etanol, 10% massa de água. Isosorbida dinitrato foi adicionada à mistura isosorbida, etanol e água. Os resultados da análise IQT para as misturas com ISDN são apresentados na Tabela 3. O promotor de combustão 2EHN também foi utilizado, nos teores de 0,1% massa, 0,5% massa e 2% massa. No teor de 0,5% massa e 2% massa houve separação de fases (turvação na mistura e formação posterior de fase apoiar no topo, compatível com o volume de 2EHN adicionado). A análise de IQT da mistura isosorbida, etanol e água com 0,5% massa de 2EHN foi de 10,32. O Exemplo 3 mostra que o melhorador de combustão 2EHN usualmente empregado na arte não é apropriado para mistura combustível de caráter mais polar. EXEMPLO 4 Este Exemplo mostra o uso de dimetilisosorbida (DMI) como melhorador de combustão em combustível de caráter polar. O produto da metilação da isosorbida, a dimetil isosorbida (DMI), foi adicionado à mistura do Exemplo 3, na proporção de 50% em massa. Assim, a mistura resultante apresentou 50% de DMI, 40% de isosorbida, 5% de água e 5% de etanol. A essa mistura ainda foram adicionados diferentes teores de ISDN. Os resultados de IQT são apresentados na Tabela 4. A dimetil isosorbida (DMI) tem massa específica de 1,16 a 20/4°C, ponto de fulgor de 118°C, ponto de ebulição de 234°C a 242°C e ponto de congelamento menor que -57°C. A Figura 2 mostra os resultados dos Exemplos 3 e 4. O valor de cetano por IQT da mistura isosorbida, etanol e água é baixo e pouco aumenta com a adição da ISDN. A adição de DMI à mistura melhorou o cetano inicial e inclusive a resposta à ISDN. EXEMPLO 5 O dimetil éter de isosorbida (DMI) foi misturada em diversas proporções à mistura de isosorbida, etanol e água do Exemplo 3. Os resultados de IQT dessa mistura e do DMI puro, sem adição de ISDN, são apresentados na Tabela 5. O Exemplo mostra que o cetano do DMI é suficiente para uso como combustível, e que misturas de isosorbida, etanol, água e DMI podem ser obtidas com cetano maior que 40, mesmo sem promotor de combustão.Dissolution of isosorbide in water and ethanol was obtained. The proportion was 80% isosorbide mass, 10% ethanol mass, 10% water mass. Isosorbide dinitrate was added to the isosorbide mixture, ethanol and water. The results of the IQT analysis for the ISDN mixtures are presented in Table 3. The 2EHN combustion promoter was also used at 0.1% mass, 0.5% mass and 2% mass. At 0.5% by mass and 2% by mass there was phase separation (turbidity in the mixture and further formation of the top support phase, compatible with the volume of 2EHN added). The IQT analysis of the isosorbide, ethanol and water mixture with 0.5% mass of 2EHN was 10.32. Example 3 shows that the 2EHN combustion enhancer commonly employed in the art is not suitable for more polar fuel blending. EXAMPLE 4 This Example shows the use of dimethylisosorbide (DMI) as a combustion enhancer in polar fuel. The methylation product of isosorbide, dimethyl isosorbide (DMI), was added to the mixture of Example 3 in a proportion by 50% by mass. Thus, the resulting mixture had 50% DMI, 40% isosorbide, 5% water and 5% ethanol. To this mixture were also added different ISDN contents. The IQT results are presented in Table 4. Dimethyl isosorbide (DMI) has a specific mass of 1.16 to 20/4 ° C, flash point of 118 ° C, boiling point of 234 ° C to 242 ° C and freezing point below -57 ° C. Figure 2 shows the results of Examples 3 and 4. The IQT cetane value of the isosorbide, ethanol and water mixture is low and little increases with the addition of ISDN. The addition of DMI to the mixture improved the initial cetane and even the response to ISDN. EXAMPLE 5 Isosorbide dimethyl ether (DMI) was mixed in various proportions to the mixture of isosorbide, ethanol and water from Example 3. The results of this mixture and pure DMI without addition of ISDN are shown in Table 5. Example shows that DMI cetane is sufficient for use as fuel, and that mixtures of isosorbide, ethanol, water and DMI can be obtained with cetane greater than 40, even without combustion promoter.
Ainda, o DMI tem composição C8Hi404, o que equivale a um teor de oxigênio de 34,73% massa. Sabidamente, teores de oxigênio dessa ordem na ignição em motores de ciclo diesel inibem a emissão de fuligem nos gases de combustão. EXEMPLO 6 O dimetil éter de isosorbida (DMI) foi misturado ao diesel hidrocarboneto nas proporções de 25%, 50% e 75% massa de DMI. Na condição de 25% massa a isosorbida foi totalmente solúvel, enquanto que em 50 e 75% houve separação de fases. Foi então adicionado 8 g de éster metílico de óleo de mamona (biodiesel de mamona) para cada 100 g da mistura DMI e diesel, como co-solvente, para completa mistura. A Tabela 6 apresenta os resultados de IQT das misturas.Additionally, DMI has a C8Hi404 composition, which is equivalent to an oxygen content of 34.73% by mass. It is known that oxygen levels of this order in ignition in diesel cycle engines inhibit the emission of soot in the combustion gases. EXAMPLE 6 The isosorbide dimethyl ether (DMI) was mixed with hydrocarbon diesel in the proportions of 25%, 50% and 75% mass of DMI. At 25% mass the isosorbide was completely soluble, while in 50 and 75% there was phase separation. 8 g castor oil methyl ester (castor biodiesel) was then added to each 100 g DMI mixture and diesel as co-solvent for complete mixing. Table 6 presents the IQT results of the mixtures.
Entre 25% e 50% massa de DMI ocorreu à formação de duas fases, que pode ser prevenida por adição de co-solvente de teor de oxigênio menor do que a DMI, como o biodiesel, ou agente surfactante. O Exemplo 6 mostra que é possível obter soluções de diesel e DMI sem separação de fases e sem co-solvente, desde que menores do que 50% massa de DMI. Ainda, que o DMI pode ser adicionado ao diesel e efetuada a mistura no próprio tanque de combustível, desde que o diesel tenha quantidade de co-solvente ou o DMI tenha quantidade de co-solvente ou outro agente surfactante. A Figura 3 mostra o efeito positivo da adição de DMI no aumento de cetano tanto da mistura com isosorbida (Exemplo 5) quanto da mistura com diesel (Exemplo 6). EXEMPLO 7 O Exemplo apresenta uma composição combustível compreendendo biodiesel de mamona, DMI, diesel, isosorbida, água e etanol, nas proporções apresentadas na Tabela 7. O resultado de IQT para a mistura do Exemplo 7 foi de 38,19.Between 25% and 50% DMI mass occurred in the formation of two phases, which can be prevented by addition of co-solvent with lower oxygen content than DMI, such as biodiesel, or surfactant. Example 6 shows that it is possible to obtain diesel and DMI solutions without phase separation and without co-solvent, provided that less than 50% mass of DMI. Further, that DMI may be added to diesel and mixed in the fuel tank itself, provided that diesel has amount of co-solvent or DMI has amount of co-solvent or other surfactant. Figure 3 shows the positive effect of DMI addition on cetane increase in both the isosorbide mixture (Example 5) and the diesel mixture (Example 6). EXAMPLE 7 Example shows a fuel composition comprising castor bean biodiesel, DMI, diesel, isosorbide, water and ethanol, in the proportions shown in Table 7. The IQT result for the mixture of Example 7 was 38.19.
Observou-se nesta e em outras misturas que as quantidades soma- das de biodiesel e DMI devem ser maiores que as quantidades somadas de isosorbida, etanol e água (se presente), para garantir uma composição de combustível em apenas uma fase. EXEMPLO 8 No Exemplo 8 são apresentadas as misturas da DMI com o promotor de ignição ISDN. Na Tabela 8 são apresentados os resultados de IQT das misturas. A Figura 4 mostra os resultados do aumento de cetano ao misturar o ISDN à DMI. Valores de IQT significativos podem ser obtidos. Surpreendentemente, o ganho do promotor de ignição (aumento de unidades de IQT por %massa adicionada) é significativamente na DMI do que no diesel (hidrocarboneto) e na isosorbida. EXEMPLO 9 No Exemplo 9 são apresentadas estimativas da capacidade de solubilízação de outros derivados hidrocarbil da isosorbida em hidrocarbo- netos, em comparação à dimetil isosorbida e isosorbida. A Tabela 9 mostra resultados de estimativa do coeficiente de partição octanol/água. Maior coeficiente de partição significa maior afinidade pela fase orgânica. São representadas na Tabela 9 as diversas classes de derivados hidrocarbil da isosorbida, incluindo mono e dialquil isosorbidas, mono e diaril, e alquil,aril isosorbidas e dicicloalquil isosorbidas.It has been observed in this and other mixtures that the summed amounts of biodiesel and DMI should be greater than the summed amounts of isosorbide, ethanol and water (if present) to ensure a one-phase fuel composition. EXAMPLE 8 Mixtures of DMI with the ISDN ignition promoter are shown in Example 8. Table 8 shows the IQT results of the mixtures. Figure 4 shows the results of cetane increase when mixing ISDN with DMI. Significant IQT values can be obtained. Surprisingly, the ignition promoter gain (increase in IQT units per% added mass) is significantly higher in DMI than in diesel (hydrocarbon) and isosorbide. EXAMPLE 9 In Example 9 estimates of the solubility of other hydrocarbyl derivatives of isosorbide in hydrocarbons are compared to dimethyl isosorbide and isosorbide. Table 9 shows results for estimating the octanol / water partition coefficient. Higher partition coefficient means higher affinity for the organic phase. The various classes of isosorbide hydrocarbyl derivatives, including mono and dialkyl isosorbides, mono and diaryl, and alkyl, aryl isosorbides and dicycloalkyl isosorbides, are shown in Table 9.
As estimativas mostram a melhor solubilidade dos derivados da isosorbida em hidrocarbonetos com o aumento das cadeias ligadas a pelo menos um dos grupos OH originais da isosorbida. EXEMPLO 10 A um volume de 50 mL de dimetil isosorbida (DMI) foram adicionadas quantidades crescentes de água ou soluções de etanol e água. A água e o etanol se mostraram solúveis na DMI em todas as diluições empregadas (de 10% a 90% massa de DMI em água e de 10% a 90% massa de DMI em etanol). A adição de 1% massa de água no diesel resulta em queda do cetano de 0,5 unidades. Para a dimetil isosorbida, pode-se adicionar até 20% massa de água, ou enquanto o IQT for maior que 40, sem adição de ISDN. Adições de maior quantidade de água tornam necessária a adição de melhorador de ignição, preferencialmente a isosorbida dinitrato. O etanol tem baixo cetano (8), mas pode ser misturado ao DMI até cerca de 20% massa, ou enquanto o IQT for maior que 40, sem adição de ISDN. Adições de maior quantidade de etanol tornam necessária a adição de melhorador de ignição, preferencialmente a isosorbida dinitrato.Estimates show the better solubility of isosorbide derivatives in hydrocarbons with increasing chains attached to at least one of the original isosorbide OH groups. EXAMPLE 10 To a volume of 50 mL of dimethyl isosorbide (DMI) was added increasing amounts of water or ethanol and water solutions. Water and ethanol were soluble in DMI at all dilutions employed (from 10% to 90% mass DMI in water and from 10% to 90% mass DMI in ethanol). The addition of 1% water mass in diesel results in a 0.5 cetane drop. For dimethyl isosorbide, up to 20% water mass may be added, or as long as the IQT is greater than 40 without the addition of ISDN. Additions of more water make it necessary to add ignition enhancer, preferably isosorbide dinitrate. Ethanol has low cetane (8), but can be mixed with DMI up to about 20 mass%, or as long as the IQT is greater than 40 without addition of ISDN. Additions of higher ethanol make it necessary to add ignition enhancer, preferably isosorbide dinitrate.
Composições de DMI, água, etanol e ISDN podem ser empregadas como combustível de motor de ciclo Diesel da presente invenção, de modo a manter o IQT acima de 40. EXEMPLO 11 A um volume de 50 mL de dimetil isosorbida (DMI) foram adicionadas quantidades crescentes do biodiesel utilizado no Exemplo 6. A dimetil isosorbida se mostrou solúvel em biodiesel em todas as concentrações empregadas (de 10% a 90% massa de DMI em biodiesel). O Exemplo 11 mostra que pode ser formulado combustível de motor diesel contendo DMI e biodiesel.DMI, water, ethanol and ISDN compositions may be employed as the diesel cycle engine fuel of the present invention so as to maintain the IQT above 40. EXAMPLE 11 Amounts of 50 ml of dimethyl isosorbide (DMI) were added. increasing amounts of biodiesel used in Example 6. Dimethyl isosorbide was soluble in biodiesel at all concentrations employed (from 10% to 90% mass DMI in biodiesel). Example 11 shows that diesel engine fuel containing DMI and biodiesel can be formulated.
Os Exemplos mostram a viabilidade da invenção - utilizar a isosorbida e derivados em motor do ciclo Diesel - e são meramente ilustrativos, não devendo limitar o escopo da mesma.The Examples show the feasibility of the invention - using isosorbide and diesel engine engine derivatives - and are merely illustrative and should not limit the scope thereof.
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