RS20070497A - Motorno gorivo bazirano na benzinu i etanolu - Google Patents

Abstract

Opisana je kompozicija motornog goriva koja sadrži etanol, a koja je inače poznata i kao gasohol, pri čemu je motorno gorivo u suštini jednofazno i sadrži od 1 do 50, a prvenstveno od 2 do 30 težinskih % etanola i količinu vode između 1 i 10 tež. % bazirano na težini etanola. Takve kompozicije motornog goriva se mogu dobijati mešanjem benzina sa vodenim etanolom, čime se izbegava potreba za korišćenjem anhidrovanog etanola kao polazne sirovine. Pored toga takve kompozicije motornog goriva se mogu dobijati mešanjem benzina sa vodenim etanolom i anhidrovanim etanolom, čime se izbegava potreba za korišćenjem anhidrovanog etanola kao jedine polazne sirovine. Ove kompozicije motornog goriva mogu sadržati drugu tečnu fazu koja ne obrazuje odvojeni sloj, i gde se vizuelno ne može detektovati posebna tečna faza, zbog čega zadovoljavaju specifikaciju koja je postala poznata kao "clear and bright" (prev. čisto i bistro).

Description

Motorno gorivo bazirano na benzinu i etanolu

Predmetni pronalazak se odnosi na kompozicije motornog goriva, a naročito na kompozicije smeša benzina, anhidrovanog etanola i vodenog etanola za motorno gorivo bez aditiva ili drugih mera za sprečavanje pojave izdvajanja tečne faze.

Predmetni pronalazak dozvoljava korišćenje vodenog etanola kao dela polazne sirovine ili čak kao jedine polazne sirovine za dobijanje goriva baziranih na benzinu - etanolu, koja su inače poznata kao gasohol, i koja zadovoljavaju specifikaciju "clear and bright" (prev. čisto i bistro). Dobijanje vodenog etanola zahteva manje energije nego dobijanje anhidrovanog etanola. Pored toga dobijanje vodenog etanola je znatno jeftinije od dobijanja anhidrovanog etanola.

STANJE TEHNIKE

Opšte je poznato da se benzin i voda ne mešaju. To znači da kada se voda doda benzinu, onda ona obrazuje odvojenu tečnu fazu koja praktično sadrži svu vodu i veoma malu količinu benzina, i koja se zbog toga u opštem slučaju naziva "vodena faza". Druga faza, "benzinska faza", sadrži veoma malu količinu vode. Vodena faza ima fizička svojstva koja su potpuno različita od fizičkih svojstava benzinske faze. Gustina vodene faze pod ambijentalnim uslovimaje obično 1000 kg/m3, dok je gustina benzinske faze obično 700 kg/m3. Međupovršinski napon između vodene faze i benzinske faze je obično 0,055 N/m. To znači da kapljice vodene faze u benzinskoj fazi imaju jaku tendenciju da se međusobno spajaju. Pored toga, razlika gustina dovodi do brzog razdvajanja dve tečne faze na donji vodeni sloj i gornji benzinski sloj. Opšte je poznato daje prisustvo odvojenog vodenog sloja štetno za sisteme za skladištenje i distribuciju goriva, rezervoare za gorivo u automobilima, sisteme za ubrizgavanje goriva i druge odgovarajuće sisteme.

Benzin i anhidrovani etanol se mogu mešati u bilo kom odnosu, tj. oni se mogu mešati bez pojave odvojene tečne faze. Međutim, čim je prisutna izvesna količina vode, pojaviće se odvojeni tečni sloj. Maksimalna količina vode koja ne izaziva pojavu odvojenog tečnog sloja ovde će biti poznata kao "tolerancija vode". Pojava odvojene tečne faze u gasoholu se smatra štetnom pošto je fazno ponašanje smeša benzin - etanol - voda potpuno drugačije od ponašanja smeša benzin - voda. Postoji nekoliko pronalazaka koji za predmet imaju sprečavanje pojave odvojene tečne faze, što je inače poznato pod nazivom "stabilizovanje". U US patentu br. 4,154,580 je opisan postupak za dobijanje stabilizovanih goriva benzin - alkohol hemijskom hidratacijom olefinskih sastojaka benzina u alkohole, čime se povećava tolerancija vode. U US patentima br. 4,207,076 i 4,207,077 je opisan postupak za povećanje tolerancije vode gasoholnih goriva dodavanjem etil -1 - butil etra ili metil -1 - butil etra, respektivno. U US patentu br. 4,490,153 je opisana procedura za dobijanje gasoholnih goriva primenom ekstrakcije tečnost - tečnost koja se vrši na -10 °F (-23,3 °C). Gasohol dobijen na ovako niskim temperaturama je stabilan na svim temperaturama iznad -10

°C.

Svi postupci, kao što su oni koji su opisani u napred navedenim patentima, zahtevaju velika proizvodna postrojenja, kao što su reaktori, destilacione kolone, ekstrakcione kolone i sudovi, kao i razmenjivači toplote. Isto tako, ona troše znatne količine energije kao što su para i elektricitet, a neophodno je i stručno osoblje za započinjanje, kontrolu, održavanje i zaustavljanje takvih proizvodnih postrojenja. Pored toga, pomenuta proizvodna postrojenja produkuju otpadne vode koje sadrže etanol i benzin, i koje stoga moraju biti poslate u postrojenja za tretiranje otpadnih voda ili postrojenja za sagorevanje otpada, pre odlaganja u okruženju. Neophodnost pomenutih postrojenja ograničava proizvodnju gasohola na oblasti gde se nalaze takva postrojenja, na primer, rafinerije. Međutim, u mnogim oblastima je potrebna proizvodnja gasohola jednostavnim mešanjem u terminalima za distribuciju goriva ili

drugim mestima gde se ne nalaze pomenuta proizvodna postrojenja.

Uočena škodljivost odvojene tečne faze prisiljava kompanije koje proizvode gasohol da koriste anhidrovani etanol.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

Na Fig. 1 je prikazan fazni dijagram tečnost - tečnost za sistem voda (1) - etanol (2) - benzin (3) na 20 °C. Na ovom dijagramu koncentracije sve tri komponente goriva su objedinjene i prikazane su kao jedna jedina supstanca.

DETALJNI OPIS PRONALASKA

Cilj predmetnog pronalaska je da se realizuju smeše benzin - etanol, koje su inače poznate kao "gasohol" gorivo za motore sa unutrašnjim sagorevanjem, a koje ne bi imale napred opisane nedostatke i za koje bi se kao polazna sirovina prvenstveno koristio vodeni etanol.

Isto tako je cilj primena predmetnog pronalaska na terminalima za distribuciju goriva, ili još opštije, na lokacijama gde se ne nalaze velika proizvodna postrojenja.

Pored toga, cilj predmetnog pronalaska je da se dobije smeša benzin - etanol za koju nisu potrebni aditivi ili druge mere za sprečavanje obrazovanja odvojene tečne faze.

U najširem smislu, pronalazak je baziran na tome da se u okviru veoma uskih kompozicionih opsega može dobiti kompozicija motornog goriva koja sadrži vodu i etanol, u suštini bez odvajanja faze.

Pronalazak je definisan kao motorno gorivo bazirano na benzinu i etanolu, koje sadrži vodu, pri čemu je motorno gorivo u suštini jednofazno i sadrži od 2 do 50, a prvenstveno 30 težinskih % etanola i količinu vode između 1 i 10 tež. % bazirano na težini etanola.

U poželjnom primeru izvođenja motorno gorivo sadrži od 0,02 do 3 težinska %, a prvenstveno od 0,05 do 3 tež. % vode.

Prednosti i karakteristike pronalaska biće lakše objašnjene sa pozivom na

Fig. 1.

Na Fig. 1 je prikazan trojni fazni dijagram tečnost - tečnost. Mada je benzin višekomponentna smeša, težinski procenti svih sastojaka benzina su objedinjeni i stoga se smeša voda - etanol - benzin može smatrati trokomponentnom smešom, tj. smešom tri komponente. Krive i linije u ovom dijagramu predstavljaju kompozicije koje su izračunate pomoću kompjuterskog programa koji je koristio podesan metod za procenu faznog ekvilibrijuma, odn. ravnoteže kompozicija. Svi podaci u dijagramu se odnose na faznu ravnotežu na 20 °C. Za konstruisanje faznog dijagrama na Fig. 1 pretpostavili smo određenu kompoziciju benzina.

U trojnom dijagramu su prikazane dve krive, koje su nazvane "kriva A" i "kriva B". Kriva A se pruža od ugla benzina trojnog dijagrama prema tački nazvanoj "tačka sjedinjavanja". Kriva B se pruža od ugla vode trojnog dijagrama prema tački sjedinjavanja. U faznom dijagramu oblast ispod "krive A" i "krive B" je oblast dve tečnosti. Kompozicija smeše koja pripada ovoj oblasti stvara dve tečne faze. Kompozicija koegzistirajućih tečnih faza je predstavljena maksimumima takozvanih "spojnih linija". Šest primera takvih spojnih linija je prikazano na Fig. 1 i označeno sa "linija 1" do "linija 6". U kontekstu predmetnog pronalaska smatraćemo da kompozicije na liniji A predstavljaju "drugu tečnu fazu", dok kompozicije na liniji B predstavljaju "benzinsku fazu". Količina svake od dve tečne faze može se odrediti pomoću spojnih linija pravilom poluge, koje je inače poznato onima koji su upoznati sa faznim dijagramima. Tačka označena kao "tačka sjedinjavanja" predstavlja kompoziciju gde je dužina spojne linije nula. Treba naglasiti da će kompozicija benzinske frakcije, tj. udela benzina u koegzistirajućim tečnim fazama biti različita do izvesne mere. Tačna lokacija krivih A i B, kao i nagib spojnih linija zavise od kompozicije benzina. Pretpostavljamo određenu kompoziciju benzina radi izračunavanja fazne ravnoteže, što predstavlja osnovu Fig. 1. Za ovu kompoziciju lokacija tačke sjedinjavanja je onakva kao što sledi: 29,5 težinskih procenata etanola, 0,6 težinskih procenata vode i 69,9 težinskih procenata benzina.

Sa faznog dijagrama se može uočiti da etanol ima jaku tendenciju da ostane u drugoj tečnoj fazi. Pri niskim koncentracijama etanola koje su predstavljene kao oblast u blizini strane benzin - voda faznog dijagrama, praktično sve kompozicije spadaju u dvofaznu oblast, a druga tečna faza je bogata vodom i shodno tome karakterisana je kao "vodena faza". U ovoj oblasti fizička svojstva koegzistirajućih faza su veoma različita i one se lako razdvajaju na donju vodenu fazu i gornju benzinsku fazu. Za niže koncentracije vode, koje su prikazane u oblasti u blizini strane benzin - etanol faznog dijagrama, fazno ponašanje jako zavisi od koncentracije etanola. U blizini tačke sjedinjavanja kompozicija dve tečne faze će biti dosta slična, a kao rezultat toga i fizička svojstva ovih faza će biti slična. Krećući se od tačke sjedinjavanja u smeru vodenog ugla trojnog dijagrama sa udaljavanjem od tačke sjedinjavanja će biti veća razlika između fizičkih svojstava koegzistirajućih tečnih faza.

Sličnosti kompozicija i fizičkih svojstava će sprečiti da fazni sistem dve tečnosti postane vizuelno nehomogena smeša. Pomenute sličnosti kompozicije i fizičkih svojstava čine ovaj sistem pogodnim za gorivo sa specifikacijom "clear and bright".

Izraz "anhidrovani etanol" se odnosi na etanol bez vode. U industrijskoj praksi, postoji specifikacija za maksimalni sadržaj vode u anhidrovanom etanolu, koji obično iznosi od 0,1 - 0,3 težinska procenta. "Dehidratovani alkohol" je sinomim za anhidrovani alkohol.

Izraz "vodeni etanol" se odnosi na smešu etanola i vode. U industrijskoj praksi, vodeni etanol obično sadrži 4 - 5 težinskih procenata vode. "Hidratovani etanol" je sinonim za vodeni etanol.

Izraz "benzin" se odnosi na smešu ugljovodonika koji ključaju u približnom opsegu od 40 °C do 200 °C i koja se može koristiti kao gorivo za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Benzin može sadržati supstance različite prirode, koje se dodaju u relativno malim količinama i služe za posebne svrhe, kao što su MTBE ili ETBE za povećanje oktanskog broja.

Izraz "gasohol" se odnosi na smešu benzina i etanola. Sadržina etanola u opštem slučaju je između 1 i 20 težinskih %. Obično je sadržina etanola 10 težinskih % ili više.

Izraz "tolerancija vode" se odnosi na maksimalnu koncentraciju vode u smeši benzin - etanol koja ne izaziva pojavu odvojene tečne faze. Tolerancija vode može biti izražena kao udeo etanola prisutnog u smeši.

Gorivo prema predmetnom pronalasku može se dobijati na različite načine, a poželjan način je jednostavno mešanje benzina sa vodenim etanolom. Druge mogućnosti su mešanje odvojenih komponenata, benzina, etanola ili vode ili drugih komponeneta, kao što je vlažni benzin (tj. benzin sa vodom) sa etanolom radi dobijanja željene kompozicije.

Predmetni pronalazak, koji je ovde generalno opisan, biće lakše shvatiti na osnovu sledećih primera, koji su namenjeni isključivo kao ilustracija i zato ih ne treba smatrati ograničavajućim ni za jedan aspekt predmetnog pronalaska. Podaci u primerima su izračunati pomoću kompjuterskog programa, primenom podesnog metoda za procenu fazne ravnoteže kompozicija i fizičkih svojstava. Benzin koji smo uzeli za ove proračune imao je sledeću kompoziciju: 18 težinskih procenata normalnih parafina, 55 težinskih procenata izoparafina, 1 težinski procenat olefina i 25 težinskih procenata aromatičnih ugljovodonika.

PRIMER 1

Ovaj primer se odnosi na smešu 850 kg benzina i 150 kg vodenog etanola. Vodeni etanol sadrži 5 težinskih procenata vode. Izvršeni su proračuni za dve temperature, konkretno za 20 stepeni Celzijusa i za 0 stepeni Celzijusa. Kao rezultat procesa mešanja koegzistiraju dve tečne faze. Kompozicija ovih faza i neka njihova fizička svojstva su prikazani u Tabeli 1.

Iz Tabele 1 može se zaključiti daje međupovršinski napon između dve koegzistirajuće faze mali, što znači daje potreban mali rad, odn. energija za stvaranje zajedničke međupovršine. Pored toga, razlika gustina dve tečne faze je mala, što znači da postoji mala tendencija da se druga tečna faza sakupi u vidu odvojenog tečnog sloja ili da je čak uopšte i nema. Mala razlika gustina, mali međupovršinski napon i slični indeksi refrakcije dveju faza dovode do očigledno homogene smeše tečnosti gde se ne može vizuelno detektovati fazna granica, i koja zato zadovoljava specifikaciju "clear and bright".

PRIMER 2

Ovaj primer se odnosi na smešu 850 kg benzina i 150 kg vodenog etanola. Vodeni etanol sadrži 1,5 težinskih procenata vode. Izvršeni su proračuni za dve temperature, konkretno za 20 stepeni Celzijusa i za 0 stepeni Celzijusa. Na 20 stepeni Celzijusa smeša je homogena, dok na 0 stepeni Celzijusa koegzistiraju dve tečne faze. Kompozicija ovih faza i neka njihova fizička svojstva su prikazana u Tabeli 2.

Iz Tabele 2 se može zaključiti da se vodeni etanol koji sadrži 1,5 težinskih procenata vode može mešati sa benzinom da bi se dobio gasohol sa 15 težinskih procenata etanola, koji ne fomira drugu tečnu fazu pod ambijentalnim uslovima. Na 0 stepeni Celzijusa ova smeša obrazuje malu količinu druge tečne faze sa približno jednakom težinom benzina i etanola i približno 2 težinska procenta vode. Prisustvo ove male količine druge tečne faze sa sličnim fizičkim svojstima ne može se vizuelno detektovati i zato zadovoljava specifikaciju "clear and bright".

Claims (9)

1. Motorno gorivo bazirano na benzinu, etanolu i vodi, koje sadrži 1 do 50 težinskih % etanola i količinu vode između 1 i 10 tež. % bazirano na težini etanola, pri čemu pomenuto motorno gorivo ima svojstvo da za kompoziciju koja se sastoji od benzina, etanola i vode u navedenim količinama nisu potrebni aditivi ili druge mere za sprečavanje pojave izdvajanja tečne faze.

2. Motorno gorivo prema zahtevu 1, pri čemu je količina etanola između 2 i 30 tež. %.

3. Motorno gorivo prema zahtevu 1 ili 2, pri čemu motorno gorivo sadrži od 0,02 do 3 tež. %, a prvenstveno od 0,05 do 3 tež. % vode.

4. Motorno gorivo prema zahtevu 1 - 3, pri čemu se vodeni etanol dobija mešanjem anhidrovanog etanola sa vodenim etanolom u odnosu koji dovodi do ciljnog sadržaja vode.

5. Motorno gorivo prema zahtevu 1 - 4, pri čemu se anhidrovani etanol, voda ili vodeni etanol odvojeno mešaju sa benzinom.

6. Motorno gorivo prema zahtevu 1 - 5, pri čemu je količina etanola 10 tež. % ili više.

7. Primena vodenog etanola koji sadrži od 1 do 10 tež. % vode za dobijanje motornog goriva bez odvojenog tečnog sloja, baziranog na benzinu koje ima sadržaj etanola od 2 do 50 tež. %.

8. Primena prema zahtevu 7, pri čemu motorno gorivo sadrži od 0,02 do 3 težinska procenta vode.

9. Primena etanola i vode za dobijanje motornog goriva bez odvojenog tečnog sloja, baziranog na benzinu koje ima sadržaj etanola od 2 do 50 tež. % i sadržaj vode od 1 do 10 težinskih % bazirano na težini etanola.