DE60013626T2

DE60013626T2 - Verfahren zum Herstellen von wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen und wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen

Info

Publication number: DE60013626T2
Application number: DE60013626T
Authority: DE
Inventors: A. Deborah LANGER; L. David WESTFALL; T. Robert GRAF; Harshida Dave; J. John MULLAY; T. Daniel DALY; A. Elizabeth SCHIFERL; Brian B. Filippini; D. William ABRAHAM; N. Jennifer FAKULT; E. Morris SMITH
Original assignee: Lubrizol Corp
Current assignee: Lubrizol Corp
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP2003504486A; BR0012359A; EP1224248B1; EP1224248B9; MXPA02000039A; EP1224248A1; AU5896100A; ATE275615T1; CA2378505A1; DE60013626D1; ES2228563T3; AU767781B2; WO2001004239A1; US6368366B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen. Die Erfindung betrifft auch stabile wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen. Das Verfahren ist zum Verteilen der Brennstoffe an Endverbraucher in großen Verteilernetzen geeignet.
Hintergrund der Erfindung
Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, können unter Verwendung von Wasser, das mit Brennstoff in der Verbrennungskammer gemischt wird, weniger NO_x–, Kohlenwasserstoff- und Partikelemissionen pro Einheit an Ausgangsleistung erzeugen. Jedoch besteht bei der Zugabe von Wasser ein Problem darin, dass Emulsionen sich in dem Brennstoff bilden und diese Emulsionen dazu neigen, nicht stabil zu sein. Dies verminderte die Verwendbarkeit dieser Brennstoffe auf dem Markt. Es würde vorteilhaft sein, die Stabilität dieser Brennstoffe ausreichend zu verbessern, um sie auf dem Markt verwendbar zu machen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass aufgrund der Instabilität, die mit diesen Brennstoffen verbunden ist, es schwierig ist, sie für Endverbraucher in einem großen Verteilernetzwerk verfügbar zu machen. Die Brennstoffe neigen zum Zerfall, bevor sie den Endverbraucher erreichen. Es würde vorteilhaft sein, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die zum Mischen dieser Brennstoffe bei der Verteilungsstelle für den Endverbraucher verwendet werden könnten und daher die Brennstoffe für Endverbraucher in großen Verteilernetzwerken verfügbar machen könnten.
Die US-A-4 708 753 beschreibt eine Wasser-in-Öl-Emulsion, die als Additiv eine Carbonsäure oder ihr Anhydrid, ein Reaktionsprodukt eines Polyisobutenyl-Bernsteinsäureanhydrids mit einem Alkanolamin und Ammoniumnitrat umfasst.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung bereitgestellt, umfassend:

(A) Mischen eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs und mindestens eines chemischen Additivs, um ein Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch zu bilden, wobei das chemische Additiv eine Emulgatorzusammensetzung umfasst, die umfasst: (i) eine Kombination (i)(a) eines ersten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein erstes Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit Alkanolamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des ersten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, und (i) (b) eines zweiten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein zweites Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit mindestens einem Ethylenpolyamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des zweiten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, oder ein Gemisch von (i) und (ii) einer ionischen oder einer nicht ionischen Verbindung mit einem Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichtswert von 1 bis 10, zusammen mit (iii) einem wasserlöslichen Salz, das von (i) und (ii) verschieden ist und der Formel k[G(NR3)y)y+nXp– entspricht, worin G ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und einer Valenz von y ist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist, X^p– ein Anion mit einer Valenz von p ist und k, y, n und p unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von mindestens 1 sind, mit der Maßgabe, dass, wenn G H ist, y den Wert 1 aufweist, und wobei die Summe der positiven Ladung ky⁺ gleich zu der Summe der negativen Ladung nX^p– ist, und
(B) Mischen des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemischs mit Wasser unter Hochschermischbedingungen in einem Hochschermischer, um die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden, wobei die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung eine diskontinuierliche wässrige Phase beinhaltet, wobei die diskontinuierliche wässrige Phase aus wässrigen Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Mikron oder weniger besteht.

Ein kritisches erfindungsgemäßes Merkmal betrifft die Tatsache, dass die Tropfen der wässrigen Phase einen durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Mikron oder weniger aufweisen. Dieses Merkmal steht in direkter Beziehung zu den erhöhten Stabilitätsmerkmalen der erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen.
Eine Vorrichtung, die zum Herstellen der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung geeignet ist, umfasst: einen Hochschermischer, einen Mischtank, einen Lagertank für ein chemisches Additiv und eine Pumpe und eine Leitung zum Überführen eines chemischen Additivs von dem Lagertank des chemischen Additivs zu dem Mischtank, eine Leitung zum Überführen eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs von einer Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle zu dem Mischtank, eine Leitung zum Überführen eines Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches von dem Mischtank zu dem Hochschermischer, eine Wasserleitung zum Überführen von Wasser von einer Wasserquelle zu dem Hochschermischer, einen Brennstofflagertank, eine Leitung zum Überführen einer wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung von dem Hochschermischer zu dem Brennstofflagertank, eine Leitung zum Verteilen der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung von dem Brennstofflagertank und eine programmierbare Steuerung zum Steuern: (i) der Überführung des chemischen Additivs von dem Lagertank des chemischen Additivs zu dem Mischtank, (ii) der Überführung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs von der Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle zu dem Mischtank, (iii) der Überführung des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches von dem Mischtank zu dem Hochschermischer, (iv) der Überführung von Wasser von der Wasserquelle zu dem Hochschermischer, (v) des Mischens des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches und des Wassers in dem Hochschermischer und (vi) der Überführung der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung von dem Hochschermischer zu dem Brennstofflagertank. Die Vorrichtung kann auch einen Computer zum Steuern der programmierbaren Steuerung beinhalten.
Die Vorrichtung kann in der Form einer containerisierten Ausrüstungsbaugruppe oder -einheit vorliegen, die automatisch arbeitet. Diese Einheit kann lokal an der Stelle ihrer Installation programmiert und überwacht werden oder sie kann von einem Ort, der von der Stelle ihrer Installation entfernt ist, programmiert und überwacht werden. Der Brennstoff wird an Endverbraucher an der Installationsstelle verteilt. Dies stellt einen Weg bereit, die erfindungsgemäß hergestellten wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen für Endverbraucher in großen Verteilernetzwerken verfügbar zu machen.
In einem weiteren Aspekt wird erfindungsgemäß eine wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung bereitgestellt, umfassend: eine kontinuierliche Phase eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs, eine diskontinuierliche wässrige Phase, wobei die diskontinuierliche wässrige Phase aus wässrigen Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Mikron oder weniger besteht, und eine emulgierende Menge einer Emulgatorzusammensetzung, umfassend: (i) eine Kombination (i)(a) eines ersten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, dass dadurch hergestellt wird, dass ein erstes Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit einem Alkanolamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, und (i)(b) eines zweiten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein zweites Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit mindestens einem Ethylenpolyamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des zweiten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, oder ein Gemisch von (i) und (ii) einer ionischen oder einer nicht ionischen Verbindung mit einem Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichtswert von 1 bis 10, zusammen mit (iii) einem wasserlöslichen Salz, das von (i) und (ü) verschieden ist und der Formel k[G(NR3)y)y+ nXp– entspricht, worin G ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und einer Valenz von y ist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist, X^p– ein Anion mit einer Valenz von p ist, und k, y, n und p unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von mindestens 1 sind, mit der Maßgabe, dass, wenn G H ist, y den Wert 1 aufweist, und wobei die Summe der positiven Ladung ky⁺ gleich zu der Summe der negativen Ladung nX^p– ist.
Vorzugsweise wird die Komponente (i)(b) mit der Komponente (i)(a) in einer Menge von 0,05 bis 0,95%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Komponente (i), vereinigt.
In der nachstehenden Beschreibung stellen wir eine genaue Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für das Verfahren verwendet werden kann, bereit. Wir beschreiben auch eine Vorrichtung, die in der Form einer containerisierten Ausrüstungsbaugruppe oder -einheit vorliegt. Ferner wird die elektronische Kommunikation zwischen einer Vielzahl von programmierbaren Steuerungen, die mit der entsprechenden Vorrichtung zum Betreiben des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden sind, beschrieben, wobei die programmierbaren Steuerungen von einem programmierenden Computer, der mit solchen programmierbaren Steuerungen kommuniziert, und einem überwachenden Computer, der mit solchen programmierbaren Steuerungen kommuniziert, entfernt liegen.
Eine Ausführungsform des Hochschermischers, der erfindungsgemäß verwendet werden kann, wird beschrieben, wobei dieser Hochschermischer ein Rotor-Stator-Mischer mit drei Rotor-Statoren, die in Reihe angeordnet sind, ist.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe "Hydrocarbylsubstituent", "Hydrocarbylgruppe", "Hydrocarbyl-substituiert", "Kohlenwasserstoffgruppe" und dergleichen verwendet, um eine Gruppe zu bezeichnen, die ein oder mehrere Kohlenstoffatome, die direkt an den Rest des Moleküls gebunden sind, und einen Kohlenwasserstoff- oder vorwiegenden Kohlenwasserstoffcharakter aufweist. Beispiele umfassen:

(1) reine Kohlenwasserstoffgruppen, d.h. aliphatische (z.B. Alkyl-, Alkenyl- oder Alkylen-) und alicyclische (z.B. Cycloalkyl-, Cycloalkenyl-) Gruppen, aromatische Gruppen und aromatisch-, aliphatisch- und alicyclisch-substituierte aromatische Gruppen als auch cyclische Gruppen, worin der Ring durch einen anderen Teil des Moleküls vervollständigt wird (z.B. bilden zwei Substituenten zusammen eine alicyclischen Gruppe),
(2) substituierte Kohlenwasserstoffgruppen, d.h. Kohlenwasserstoffgruppen mit Nichtkohlenwasserstoffgruppen, die im Zusammenhang mit der Erfindung den vorwiegenden Kohlenwasserstoffcharakter der Gruppe nicht verändern (z.B. Halogen-, Hydroxy-, Alkoxy-, Mercapto-, Alkylmercapto-, Nitro-, Nitroso- und Sulfoxygruppen),
(3) heterosubstituierte Kohlenwasserstoffgruppen, d.h. Kohlenwasserstoffgruppen mit Substituenten, die, während sie im Zusammenhang mit der Erfindung einen vorwiegenden Kohlenwasserstoffcharakter aufweisen, von Kohlenstoffatomen verschiedene Atome in einem Ring oder einer Kette enthalten, der/die ansonsten aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Heteroatome umfassen Schwefel-, Sauerstoff- und Stickstoffatome. Im Allgemeinen werden nicht mehr als zwei und in einer Ausführungsform nicht mehr als ein Nichtkohlenwasserstoffsubstituent für jeweils 10 Kohlenstoffatome in der Kohlenwasserstoffgruppe vorhanden sein.

Der Begriff "nieder", wenn er in Verbindung mit Begriffen wie Alkyl-, Alkenyl- und Alkoxygruppe verwendet wird, soll solche Gruppen beschreiben, die insgesamt bis zu 7 Kohlenstoffatome enthalten.
Der Begriff "wasserlöslich" betrifft Materialien, die in Wasser zu mindestens 1 g/ 100 ml an Wasser bei 25°C löslich sind.
Der Begriff "brennstofflöslich" betrifft Materialien, die in einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff (z.B. Benzin- oder Dieselbrennstoff) zu mindestens 1 g/ 100 ml an Brennstoffen bei 25°C löslich sind.
Das Verfahren und die Vorrichtung
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einer Chargenbasis oder auf einer kontinuierlichen Basis erfolgen. Das nachstehend beschriebene Verfahren und die nachstehend beschriebene Vorrichtung betreffen ein Chargenverfahren. Die Vorrichtung umfasst einen Hochschermischer, einen Mischtank, einen Einlass für Kohlenwasserstoffbrennstoff, einen Lagertank für ein chemisches Additiv, einen Wasserlagertank, einen Lagertank für ein Antivereisungsmittel, einen Lagertank für einen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff und einen Brennstoffverteiler.
Der Kohlenwasserstoffbrennstoff tritt über den Kohlenwasserstoffbrennstoffeinlass ein und fließt zu dem Mischtank durch eine Leitung. Zusammen mit der Leitung sind in Reihe zwischen dem Einlass und dem Mischtank ein Abtrennventil, ein Druckmessgerät, ein Filter, eine Pumpe, ein Magnetventil, ein Flussmessgerät und -totalisator, ein Kalibrierungsauslassventil, ein Überprüfungsventil und ein Abtrennventil angeordnet.
Die Leitung erstreckt sich von dem Lagertank eines chemischen Additivs zu dem Mischtank und ist zum Überführen des chemischen Additivs von dem Lagertank für ein chemisches Additiv zu dem Mischtank angepasst. Entlang der Leitung sind in Reihe ein Abtrennventil, eine Schnellkupplung, ein Abtrennventil, ein Filter, eine Pumpe, ein Magnetventil, ein Flussmessgerät und -totalisator, ein Kalibrierungsauslassventil, ein Überprüfungsventil und ein Abtrennventil angeordnet.
Eine Leitung erstreckt sich von dem Wasserlagertank zu einem verbindenden T-Stück, wo es die Leitung verbindet. Entlang der Leitung sind in Reihe zwischen dem Wasserlagertank und dem verbindenden T-Stück Ventile und ein Filter, eine Pumpe, ein Magnetventil, ein Flussmessgerät und -totalisator, ein Kalibrierungsauslassventil, ein Überprüfungsventil und ein Abtrennventil angeordnet. Eine Leitung erstreckt sich von einem Wassereinlass zu einem Wasserenthärter. Eine Leitung erstreckt sich von dem Wasserenthärter zu dem Wasserlagertank. Eine Leitung erstreckt sich von dem Lagertank für ein Antivereisungsmittel zu dem verbindenden T-Stück. Entlang einer Leitung sind in Reihe zwischen dem Lagertank für ein Antivereisungsmittel und dem verbindenden T-Stück Ventile und ein Filter, eine Pumpe, ein Magnetventil, ein Flussmessgerät und -totalisator, ein Überprüfungsventil und ein Abtrennventil angeordnet.
Eine Leitung erstreckt sich von dem verbindenden T-Stück zu einem verbindenden T-Stück. Eine Leitung erstreckt sich von dem Mischtank zu dem verbindenden T-Stück. Ein automatisiertes Ventil liegt zwischen dem Mischtank und dem verbindenden T-Stück in der Leitung. Eine Leitung erstreckt sich von dem verbindenden T-Stück zu dem Einlass zu dem Hochschermischer. Ein Überprüfungsventil liegt in der Leitung zwischen dem verbindenden T-Stück und dem Einlass zu dem Hochschermischer.
Eine Leitung erstreckt sich von dem Auslass zu dem Hochschermischer zu einem Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff. Entlang der Leitung sind in Reihe ein Drosselventil, ein verbindendes T-Stück und ein automatisiertes Ventil angeordnet. Die Leitung erstreckt sich von dem verbindenden T-Stück zu dem Mischtank. Das automatisierte Ventil liegt in der Leitung zwischen dem verbindenden T-Stück und dem Mischtank. Eine Leitung wird zum wiederholten Zyklisieren des Gemisches aus Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser (und gegebenenfalls Antivereisungsmittel) zurück durch den Mischtank und sodann wieder durch den Hochschermischer bereitgestellt.
Eine Leitung erstreckt sich von dem Lagertank für ein wässriges Kohlenwasserstoffbrennstoffmittel zu dem verbindenden T-Stück und wird zum wiederholten Zyklisieren einer wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung von einem Tank zurück durch den Hochschermischer bereitgestellt, falls es erwünscht ist, die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung einem zusätzlichen Hochschermischen zu unterziehen. Entlang der Leitung sind in Reihe ein Abtrennventil, ein automatisiertes Ventil und ein Kalibrierungsauslassventil angeordnet. Dieses wiederholte Zyklisieren kann erfolgen, um ein ungewünschtes Absetzen im Tank zu vermeiden, nachdem die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung gemischt wurde.
Eine Leitung erstreckt sich von dem Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem Brennstoffverteiler. Eine Verteilungspumpe ist an die Leitung angeschlossen und liegt zwischen dem Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff und dem Brennstoffverteiler. Die Verteilerpumpe ist zum Pumpen der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung von dem Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff zu dem Brennstoffverteiler angepasst. Verwender der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung können den Brennstoff von dem Verteiler erhalten.
Eine programmierbare Steuerung (PLC) wird bereitgestellt zum Steuern: (i) der Überführung eines chemischen Additivs von dem Lagertank für ein chemisches Additiv zu dem Mischtank, (ii) der Überführung von Kohlenwasserstoffbrennstoff von dem Kohlenwasserstoffbrennstoffeinlass zu dem Mischtank, (iii) der Überführung des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches von dem Mischtank zu dem Hochschermischer, (iv) der Überführung von Wasser von dem Wasserlagertank zu dem Hochschermischer, (v) des Mischens des Kohlenwasserstoff brennstoff-Additiv-Gemisches und des Wassers in dem Hochschermischer und (vi) der Überführung der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung aus dem Hochschermischer zu dem Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff. Falls ein Antivereisungsmittel verwendet wird, steuert die PLC die Überführung des Antivereisungsmittels von dem Lagertank für Antivereisungsmittel zu dem verbindenden T-Stück, wo es mit Wasser aus der Leitung gemischt wird. Falls es erwünscht ist, die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung wieder durch den Mixer für ein zusätzliches Hochschermischen zu zyklisieren, steuert die PLC auch ein solches wiederholtes Zyklisieren. Die PLC speichert die von dem Anwender eingegebenen Komponenten-Prozente. Die PLC verwendet sodann diese Prozente, um Volumina einer jeden benötigten Komponente zu definieren. Eine Mischsequenz wird in die PLC programmiert. Die PLC überwacht elektrisch alle Füllstandsschalter, Ventilpositionen und Flüssigkeitsmessgeräte.
In Betrieb tritt Kohlenwasserstoffbrennstoff über einen Einlass ein und fließt durch eine Leitung zu dem Mischtank. Der Fluss des Kohlenwasserstoffbrennstoffs wird durch die PLC gesteuert, die den Fluss des Kohlenwasserstoffbrennstoffs dadurch überwacht und steuert, dass sie die Pumpe, das Magnetventil und das Flussmessgerät und den Flusstotalisator überwacht und steuert.
Das chemische Additiv wird von dem Lagertank für chemisches Additiv zu dem Mischtank über eine Leitung überführt. Der Fluss an chemischem Additiv durch die Leitung wird durch eine Pumpe, ein Magnetventil und ein Flussmessgerät und einen Flusstotalisator gesteuert, die von der PLC überwacht und gesteuert werden.
Wasser wird von dem Wasserlagertank zu dem verbindenden T-Stück über die Leitung überführt. Der Fluss an Wasser von dem Wasserlagertank zu dem verbindenden T-Stück wird durch eine Pumpe, ein Magnetventil und ein Flussmessgerät und einen Flusstotalisator gesteuert, die durch die PLC überwacht und gesteuert werden.
Das Antivereisungsmittel wird verwendet, wenn das Verfahren in einer Umgebung erfolgt, in der Wasser gefrieren kann. Falls verwendet, wird das Antivereisungsmittel von dem Lagertank für Antivereisungsmittel zu dem verbindenden T-Stück durch die Leitung überführt. Der Fluss des Antivereisungsmittels durch die Leitung wird durch eine Pumpe, ein Magnetventil und ein Flussmessgerät und einen Flusstotalisator gesteuert, die durch die PLC überwacht und gesteuert werden.
Der Kohlenwasserstoffbrennstoff und das chemische Additiv werden in dem Mischtank gemischt. Das sich ergebende Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch wird von dem Mischtank zu dem verbindenden T-Stück über eine Leitung überführt. Der Fluss an Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch von dem Mischtank wird durch ein automatisiertes Ventil gesteuert, das durch die PLC gesteuert wird. Wasser fließt von dem verbindenden T-Stück zu dem verbindenden T-Stück durch die Leitung. Das Antivereisungsmittel, falls verwendet, vermischt sich mit dem Wasser in dem verbindenden T-Stück und das sich ergebende Gemisch aus Antivereisungsmittel und Wasser fließt zu dem verbindenden T-Stück. In dem verbindenden T-Stück wird das Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch mit dem Wasser und, falls verwendet, dem Antivereisungsmittel gemischt. Das verbindende T-Stück liegt an dem Eingang zu dem Hochschermischer. Das Gemisch aus Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv und Wasser und gegebenenfalls Antivereisungsmittel wird sodann zu dem Hochschermischer überführt, in dem es einem Hochschermischen unterzogen wird.
In einer Ausführungsform erfolgt das anfängliche Mischen des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches und des Wassers (und gegebenenfalls des Antivereisungsmittels) während des Schritts (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Hochschermischer oder bei dem Einlass zu dem Hochschermischer. In einer Ausführungsform beginnt das Hochschermischen bis zu 15 Sekunden nach einem solchen anfänglichen Mischen und in einer Ausführungsform 2 bis 15 Sekunden und in einer Ausführungsform 5 bis 10 Sekunden nach einem solchen anfänglichen Mischen. Das Hochschermischen des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisches und des Wassers (und gegebenenfalls des Antivereisungsmittels) führt zu der Bildung der gewünschten wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung. Ein kritisches erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, dass die Wasserphase der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung aus Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Mikron oder weniger besteht. Folglich erfolgt das Hochschermischen unter Bedingungen, die ausreichen, um eine solche Tropfengröße bereitzustellen. In einer Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Tropfengröße weniger als 0,95 Mikron und in einer Ausführungsform weniger als 0,8 Mikron und in einer Ausführungsform weniger als 0,7 Mikron. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Tropfengröße 0,01 bis 0,95 Mikron, mehr bevorzugt 0,01 bis 0,8 Mikron, mehr bevorzugt 0,01 bis 0,7 Mikron. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Tropfengröße 0,1 bis 0,7 Mikron.
Die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung kann durch Leitungen und den Tank wieder zyklisiert werden, um die gewünschte Tropfengröße zu erhalten. Dieses wiederholte Zyklisieren wird durch automatisierte Ventile gesteuert, die durch die PLC gesteuert werden. In einer Ausführungsform wird die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung 1- bis 35-mal und in einer Ausführungsform 1- bis 10-mal und in einer Ausführungsform 1- bis 5-mal wieder zyklisiert.
Wenn die gewünschte Tropfengröße erreicht ist, wird die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung in dem Lagertank für wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung gelagert. Die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung, die in dem Lagertank gelagert wird, ist eine stabile Emulsion, die in einer Ausführungsform mindestens 90 Tage bei einer Temperatur von 25°C und in einer Ausführungsform mindestens 60 Tage und in einer Ausführungsform mindestens 30 Tage stabil verbleiben kann. Die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung kann von dem Lagertank durch einen Verteiler verteilt werden. Die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung fließt von dem Lagertank zu dem Verteiler über eine Leitung. Der Fluss der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung durch die Leitung wird durch die Pumpe gesteuert.
Der Lagertank für chemisches Additiv weist einen Niedrigstand-Alarmschalter, der darin eingebaut ist, auf. Wenn der Stand in dem Tank unter den Niedrigstandschalter fällt, wird ein Niedrigstandalarm ausgelöst. Der in Bearbeitung stehenden Charge wird erlaubt, fertig bearbeitet zu werden, wenn die Niedrigstand-Alarmbedingung eintritt. Dies ist möglich, da ein ausreichendes Volumen unter dem Stand des Schalters vorliegt, um ein vollständige Charge zu bearbeiten. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Niedrigstand korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
Wenn ein chemisches Additiv für das Mischverfahren erforderlich ist, wird die Pumpe gestartet. Diese Pumpe, die in einer Ausführungsform eine Zentrifugalpumpe ist, liefert das chemische Additiv zu dem Mischtank. Falls die Pumpe nicht startet oder falls ihr Starterüberlastungsschaltkreis auslöst, wird ein Alarmsignal an die PLC geschickt. Die PLC fährt die in Verarbeitung stehende Charge herunter und aktiviert einen Alarm. Ein weiterer Betrieb wird verhindert, bis der Fehler korrigiert ist.
In einer Ausführungsform ist das Flussmessgerät des Flussmessgeräts und -totalisators ein ovales Zahnradmessgerät mit hoher Auflösung. Eine elektronische Pulsaufnahme wird verwendet, um die Drehzahl des Messgeräts auszulesen. Das Messgerät stellt einen elektrischen Puls von mehr als einem Puls pro Milliliter bereit. Ein elektronischer Faktorierungstotalisator sammelt die durch das Messgerät ausgelösten Pulse. Kalibriert während einer anfänglichen Einstellung, löst der Totalisator die volumetrischen Pulse in Hundertstel Gallonen an zugeführtem chemischem Additiv auf. Mit jedem Hundertstel einer Gallone an Fluss wird ein elektrischer Puls an die PLC übermittelt. Basierend auf diesem Fluss zählt der Totalisator bis zu einem Zielvolumen an chemischem Additiv und schaltet den Fluss an chemischem Additiv sodann ab.
Das Magnetventil steuert den Fluss an chemischem Additiv. Die PLC betätigt dieses Ventil, wenn ein Additivfluss benötigt wird. Ein Filter in der Leitung verhindert, dass jegliche Feststoffverunreinigungen das Flussmessgerät und den Flusstotalisator beschädigen. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um das chemische Additiv während einer Kalibrierung abzutrennen und den Fluss an chemischem Additiv zu drosseln. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um eine Kalibrierungsprobe abzutrennen. Diese Probe wird verwendet, um eine volumetrische Probe während einer Kalibrierung des Totalisators des Flussmessgeräts und -totalisators zu bekommen.
Der Lagertank für Antivereisungsmittel weist einen Niedrigstand-Alarmschalter, der darin eingebaut ist, auf. Wenn der Stand in dem Lagertank unter den Niedrigstandschalter fällt, wird ein Niedrigstandalarm ausgelöst. Der in Bearbeitung stehenden Charge wird, wenn die Niedrigstand-Alarmbedingung eintritt, erlaubt, dass sie fertig bearbeitet wird. Dies ist möglich, da ausreichend Volumen unter dem Stand des Schalters vorhanden ist, damit eine vollständige Charge bear beitet werden kann. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Niedrigstand korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
Wenn ein Antivereisungsmittel bei dem Mischverfahren erforderlich ist, wird die Pumpe gestartet. Die Pumpe, die in einer Ausführungsform eine Zentrifugalpumpe ist, führt Antivereisungsmittel dem verbindenden T-Stück zu, wo das Antivereisungsmittel sich mit dem Wasser aus der Leitung vermischt. Falls die Pumpe nicht startet oder falls ihr Starterüberlastungsschaltkreis auslöst, wird ein Alarmsignal an die PLC geschickt. Die PLC fährt die in Bearbeitung stehende Charge herunter und löst einen Alarm aus. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Fehler korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
In einer Ausführungsform ist das Flussmessgerät des Flussmessgeräts und -totalisators ein ovales Zahnradmessgerät mit hoher Auflösung. Eine elektronische Pulsaufnahme wird verwendet, um die Drehzahl des Messgeräts auszulesen. Das Messgerät stellt einen elektrischen Puls von mehr als einem Puls pro Milliliter bereit. Der Totalisator, der ein elektronischer Faktorierungstotalisator ist, sammelt von dem Messgerät erzeugte Pulse. Kalibriert während einer anfänglichen Einstellung, löst der Totalisator die volumetrischen Pulse in Hundertstel Gallonen an zugeführtem Antivereisungsmittel auf. Mit jedem Hundertstel einer Gallone an Fluss wird ein elektrischer Puls an die PLC geschickt. Basierend auf diesem Fluss zählt der Totalisator bis zu einem Zielvolumen an Antivereisungsmittel und schaltet den Fluss an Antivereisungsmittel ab.
Das Magnetventil steuert den Fluss an Antivereisungsmittel. Die PLC betätigt dieses Ventil, wenn der Fluss an Antivereisungsmittel benötigt wird. Ein Filter in der Leitung verhindert, dass jegliche Feststoffverunreinigungen das Flussmessgerät und den Flusstotalisator beschädigen. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um das Antivereisungsmittel während einer Kalibrierung abzutrennen und den Fluss des Antivereisungsmittels während eines normalen Betriebs zu drosseln. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um eine Kalibrierungsprobe abzutrennen. Diese Probe wird verwendet, um eine volumetrische Probe während der Kalibrierung des Flussmessgeräts und -totalisators zu bekommen.
In einer Ausführungsform ist das Wasser deionisiert. Für Systeme mit einem geringeren Volumenbedarf kann Wasser von einer Stadtversorgung genommen werden und durch eine Deionisierungseinheit und sodann in einen Lagertank geleitet werden. Für Systeme mit hoher Kapazität können größere Deionisierungseinheiten verwendet werden oder eine Massenzuführung an Wasser kann verwendet werden. In einer Ausführungsform ist der Wasserlagertank ein Edelstahltotalisator mit einer Maximalfüllmenge von 550 Gallonen (2083,3 Liter) oder ein ähnlich großer Tank aus polymerischem Material.
Der Wasserlagertank weist einen Niedrigstand-Alarmschalter, der darin eingebaut ist, auf. Wenn der Stand in dem Wasserlagertank unter den Niedrigstandschalter fällt, wird ein Niedrigstandalarm ausgelöst. Der in Verarbeitung stehenden Charge wird, wenn die Niedrigstand-Alarmbedingung eintritt, erlaubt, dass sie fertig bearbeitet wird. Dies ist möglich, da ausreichend Volumen unter dem Stand des Schalters vorhanden ist, damit eine vollständige Charge bearbeitet wird. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Niedrigstand korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
Der Wasserlagertank weist auch einen Hochstand-Schwimmerschalter darin auf. Dieser Schalter wird zusammen mit einem Magnetventil in dem Wasser-Zuführleitungstank verwendet, um automatisch ein Wiederbefüllen des Wasserlagertanks zu steuern.
Wenn Wasser bei dem Mischverfahren erforderlich ist, wird die Pumpe gestartet. Die Pumpe, die eine Zentrifugalpumpe sein kann, führt Wasser zu dem verbindenden T-Stück zu, wo das Wasser sich mit dem Antivereisungsmittel mischt, wenn ein Antivereisungsmittel verwendet wird. Falls die Pumpe nicht startet oder falls ihr Starterüberlastungsschaltkreis auslöst, wird ein Alarmsignal an die PLC geschickt. Die PLC fährt die in Verarbeitung stehende Charge herunter und löst einen Alarm aus. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Fehler korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
In einer Ausführungsform ist das Flussmessgerät des Flussmessgeräts und -totalisators ein ovales Zahnradmessgerät mit mittelgradig hoher Auflösung. Eine elektronische Pulsaufnahme wird verwendet, um die Drehzahl des Messgeräts auszulesen. Das Messgerät kann etwa 760 Pulse pro Gallone (2878,8 Pulse pro Liter) an Wasser, das durch dieses fließt, bereitstellen. Der Totalisator ist ein elektronischer Faktorierungstotalisator, der durch das Messgerät erzeugte Pulse sammelt. Kalibriert während eines anfänglichen Einstellens, löst der Totalisator die volumetrischen Pulse in Zehntel an Gallonen an zugeführtem Wasser auf. Mit jedem Zehntel einer Gallone an Fluss wird ein elektrischer Puls an die PLC übermittelt. Basierend auf diesem Fluss zählt die PLC bis zu einem Zielvolumen an Wasser und schaltet den Wasserfluss ab.
Ein Magnetventil steuert den Wasserfluss. Die PLC betätigt dieses Ventil, wenn Wasser benötigt wird. Ein Filter in der Leitung verhindert, dass jegliche Feststoffverunreinigungen das Flussmessgerät und den Flusstotalisator beschädigen. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um das Wasser während einer Kalibrierung abzutrennen und den Fluss der Wasserkomponenten während eines normalen Betriebs zu drosseln. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, trennt eine Kalibrierungsprobe ab. Diese Probe wird verwendet, um eine volumetrische Probe während der Kalibrierung des Totalisators des Flussmessgeräts und -totalisators zu bekommen.
Wenn Brennstoff bei dem Mischverfahren erforderlich ist, wird die Pumpe gestartet. Diese Pumpe, die eine Zentrifugalpumpe sein kann, führt Brennstoff zu dem Mischtank über die Leitung zu. Falls die Pumpe nicht startet oder falls ihr Starterüberlastungsschaltkreis auslöst, wird ein Alarmsignal an die PLC geschickt. Die PLC fährt die in Bearbeitung stehende Charge herunter und löst einen Alarm aus. Ein weiteres Chargenmischen wird verhindert, bis der Fehler korrigiert ist und der Alarm zurückgesetzt ist.
In einer Ausführungsform ist das Flussmessgerät des Flussmessgeräts und -totalisators ein ovales Zahnradmessgerät mit mittelgradig hoher Auflösung. Eine elektronische Pulsaufnahme wird verwendet, um die Drehzahl des Messgeräts auszulesen. Das Messgerät kann etwa 135 Pulse (511,4 Pulse pro Liter) pro Gallone an Brennstoff, der durch diesen fließt, bereitstellen. Der Totalisator, der ein elektronischer Faktorierungstotalisator sein kann, sammelt durch das Messgerät erzeugte Pulse. Kalibriert während eines anfänglichen Einstellens, löst der Totalisator die volumetrischen Pulse in Zehntel von Gallonen an zugeführtem Brennstoff auf. Mit jedem Zehntel einer Gallone an Fluss wird ein elektrischer Puls an die PLC übermittelt. Basierend auf diesem Fluss, zählt die Steuerung bis zu einem Zielvolumen an Brennstoff und schaltet den Brennstofffluss ab.
Ein Magnetventil steuert den Brennstofffluss. Die PLC betreibt dieses Ventil, wenn Brennstoff in dem Gemisch benötigt wird. Ein Filter in der Leitung verhindert, dass jegliche Feststoffverunreinigungen das Flussmessgerät und den Flusstotalisator beschädigen. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um den Brennstoff während einer Kalibrierung abzutrennen und den Fluss des Brennstoffs während eines normalen Betriebs zu drosseln. Ein Ventil, das ein per Hand betriebenes Kugelventil sein kann, wird verwendet, um eine Kalibrierungsprobe abzutrennen. Diese Probe wird verwendet, um eine volumetrische Probe während der Kalibrierung des Totalisators zu bekommen.
Ein Mischtank, der in einer Ausführungsform ein vertikal orientierter zylindrischer Stahltank sein kann, wird als Mischgefäß verwendet. In einer Ausführungsform weist dieser Tank eine Kapazität von etwa 130 Gallonen (492,4 Liter) auf. Dieser Tank kann mit zwei Flüssigkeitstands-Schwimmerschaltern ausgerüstet sein. Der Hochstandschalter wird verwendet, um die PLC zu warnen, falls der Tank während des Mischverfahrens überfüllt wurde. Dies kann auftreten, falls ein Flussmessgerät ausfällt. Der Niedrigstandschalter wird von der PLC verwendet, um den Hochschermischer abzuschalten. Der Mischtank beinhaltet eine Leitung und ein Ventil, die zum Ablassen des Inhalts des Tanks verwendet werden.
Der Hochschermischer kann ein Rotor-Stator-Mischer, ein Ultraschallmischer oder ein Hochdruck-Homogenisator sein. Der Rotor-Stator-Mischer kann aus einem ersten Rotor-Stator und einem zweiten Rotor-Stator, die in Reihe angeordnet sind, bestehen. Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser werden in dem ersten Rotor-Stator und sodann dem zweiten Rotor-Stator gemischt, um die gewünschte wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden. In einer Ausführungsform ist ein dritter Rotor-Stator in Reihe mit dem ersten Rotor-Stator und dem zweiten Rotor-Stator angeordnet. Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser dringen durch den ersten Rotor-Stator, sodann durch den zweiten Rotor-Stator und sodann durch den dritten Rotor-Stator vor, um die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden.
In einer Ausführungsform ist der Hochschermischer ein In-Reihe-Rotor-Stator-Mischer. Dieser Mischer beinhaltet Rotor-Statoren, die in Reihe angeordnet sind.
Der Mischer weist einen Einlass, einen Auslass, eine mechanische Dichtung, einen Heiz- oder Kühlmantel und einen Einlass zu dem Heiz- oder Kühlmantel auf. Jeder der Rotor-Statoren weist einen Rotor auf, der koaxial innerhalb eines Stators befestigt ist. Die Rotoren rotieren durch einen Motor. Die Rotor-Statoren können den gleichen Aufbau aufweisen oder können jeweils unterschiedlich sein. Der Rotor und der Stator für den Rotor-Stator weisen vielreihige Anordnungen von Zähnen auf, die in konzentrischen Kreisen angeordnet sind, die aus zirkulären Scheiben herausragen. Der Rotor weist eine innere Öffnung auf. Der Stator weist eine innere Öffnung und einen annularen Abstand auf, der durch die zirkulare Scheibe und die herausragende zylindrische Wand definiert ist. Die zylindrische Wand ragt nicht so hoch wie die Zähne heraus. Der Rotor und der Stator sind derart dimensioniert, dass der Rotor in den Stator passt, wobei die Rotorzähne und die Statorzähne verschachtelt sind. Die Furchen zwischen den Zähnen können radial oder geneigt, kontinuierlich oder unterbrochen sein. Die Zähne können trianguläre, quadratische, runde, rechteckige oder andere geeignete Profile aufweisen, wobei quadratische und rechteckige besonders geeignet sind. Der Rotor rotiert bei einer Geschwindigkeit von bis zu 10 000 UpM und in einer Ausführungsform 1000 bis 10 000 UpM und in einer Ausführungsform 4000 bis 5500 UpM, relativ zu dem Stator, der stationär ist. Die tangentiale Geschwindigkeit oder Spitzengeschwindigkeit des Rotors beträgt 3000 bis 15 000 Fuß pro Minute (914,4 bis 457,2 Meter pro Sekunde) und in einer Ausführungsform 4500 bis 5400 Fuß pro Minute (1371,6 bis 1645,9 Meter pro Sekunde). Die Rotation des Rotors zieht das Gemisch aus Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser (und gegebenenfalls Antivereisungsmittel) axial durch den Einlass in die Zentralöffnung des Rotor-Stators, die durch eine Öffnung definiert ist, und dispergiert das Gemisch radial durch die konzentrischen Kreise an Zähnen und sodann aus dem Rotor-Stator. Das Gemisch wird sodann durch die Zentralöffnung des Rotor-Stators gezogen und radial auswärts durch die konzentrischen Kreise an Zähnen in dem Rotor-Stator und sodann aus dem Rotor-Stator dispergiert. Das Gemisch wird sodann durch die Zentralöffnung des Rotor-Stators gezogen und radial auswärts durch die konzentrischen Kreise an Zähnen in dem Rotor-Stator und sodann aus dem Rotor-Stator zu dem Auslass dispergiert. Das Gemisch, das durch die Rotor-Statoren befördert wird, wird mechanischen und hydraulischen Hochgeschwindigkeits-Scherkräften unterzogen, was zu der Bildung der gewünschten wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung führt. In einer Ausführungsform ist der Mi scher ein Dispax-Reaktor^TM, Modell DR3, der mit Ultra-Turrax^TM UTL-T./8-Rotor-Statoren ausgerüstet ist, vertrieben von IKA-Maschinenbau.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Hochschermischer ein Ultraschallmischer sein. In diesem Mischer wird ein flüssiges Gemisch aus Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser (und gegebenenfalls Antivereisungsmittel) unter Hochdruck (z.B. 2000 bis 10 000 psig (103 401 bis 517 005 mm Hg) und in einer Ausführungsform 4000 bis 6000 psig (206 802 bis 310 203 mm Hg)) durch eine Öffnung bei hoher Geschwindigkeit (z.B. 100 bis 400 Fuß pro Sekunde (fps) (30,48 bis 121,92 Meter pro Sekunde) und in einer Ausführungsform 150 bis 300 fps (45,72 bis 91,44 Meter pro Sekunde)) gezwungen und auf den Rand eines messerartigen Hindernisses in seinem Weg gerichtet. Zwischen der Öffnung und dem messerartigen Hindernis streift das flüssige Gemisch Wirbel ab, die senkrecht zu dem ursprünglichen Flussvektor stehen. Das Abstreifungsmuster verändert sich derart, dass eine stetige Oszillation in dem Schallbereich innerhalb des flüssigen Gemisches auftritt. Die Kräfte, die innerhalb des flüssigen Gemisches durch Schalloszillationen entstehen, bewirken, dass das flüssige Gemisch Hohlräume in dem Ultraschall-Frequenzbereich bildet. Beispiele von Ultraschallmischern, die verwendet werden können, umfassen Triplex Sonilator Models^TM XS-1500 und XS-2100, die von Sonic Corporation erhältlich sind.
Der Hochschermischer kann ein Hochdruck-Homogenisator sein. In einem solchen Mischer wird ein Gemisch aus dem Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch und Wasser (und gegebenenfalls Antivereisungsmittel) unter Hochdruck (z.B. 10 000 bis 40 000 psig (517 006 bis 2 068 027 mm Hg)) durch eine kleine Öffnung (z.B. ¼ Inch bis ¾ Inch (0,635 bis 1,905 cm) im Durchmesser) gezwungen, um das gewünschte Mischen bereitzustellen. Ein Beispiel eines geeigneten Homogenisators ist von Microfluidics International Corporation unter dem Handelsnamen Microfluidizer erhältlich.
Der Lagertank für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff ist in einer Ausführungsform ein Edelstahltank von 550 Gallonen (2083,3 Liter). Dieser Tank kann eine normale Maximalfüllmenge von 500 Gallonen (1893,9 Liter) aufweisen, was Raum für eine thermische Ausdehnung des Gemisches, falls erforderlich, erlaubt.
Drei schwimmerartige Niveaunachweisschalter können in dem Tank installiert sein. Der Schalter, der ein Hochstand-Alarmschalter ist, garantiert, dass ein Abschalten und ein Alarm auftreten, falls der Stand des Lagertanks abnormal hoch wird. Der Schalter, der ein Chargen-Initialisierungsstandsschalter ist, kann z.B. bei dem 400 Gallonen (1515,2 Liter)-Stand in dem Tank positioniert sein. Wenn die Menge der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung auf diesen Stand in dem Tank abfällt, kann der Steuerung ein Signal gesendet werden, das das Mischen einer Charge von 100 Gallonen (378,8 Liter) initiiert. Schließlich ist der Schalter ein Niedrigstandschalter, der nahe an dem Boden des Tanks liegt. Falls die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung diesen Stand erreicht, wird die Pumpe an einem Betrieb gehindert.
Die Verteilerpumpe kann am oberen Ende des Lagertanks für wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoff vorliegen. Diese Pumpe, die in einer Ausführungsform eine Pumpe von 30 Gallonen pro Minute (113,64 Liter pro Minute) sein kann, führt Brennstoff zu dem Verteiler. Die Pumpe kann durch einen Düsenstauschalter gestartet werden, der sich auf dem Verteiler befindet. Sollte ein Niedrigstandalarm in dem Tank auftreten, wird die Pumpe durch die PLC abgesperrt.
Der Verteiler kann eine Einheit von hoher Kapazität sein, die für schnelle Befüllungsanwendungen spezifisch entwickelt ist. Der Verteiler liegt in einer Position vor, die einen Fahrzeugverkehr danach erleichtert. Der Verteiler kann einen per Hand zurücksetzbaren Totalisator darauf aufweisen, um den gesamten in ein Fahrzeug abgefüllten Brennstoff anzuzeigen. Ein Schlauch (z.B. mit einer Länge von 30 Fuß (9,14 Meter)) von 1 Inch (2,54 cm) kann auf einer Rolle, die an dem Verteiler befestigt ist, gelagert und verwendet werden, um den Brennstoff zu verteilen. Eine Düse mit automatischer Abschaltung kann verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist die PLC eine Allan-Bradley^TM SLC503 programmierbare Steuerung. Ein Kommunikationsadapter kann in die Einheit installiert werden, um zu erlauben, dass sie fernbedient wird. Der Adapter kann ein Allan-Bradley-Modell 1747-KE-Modul sein. Um den Kommunikationsadapter an eine Standardtelefonleitung anzuschließen, kann ein asynchrones Arbeitsplatzrechner (PC)-Modem verwendet werden.
Das Verfahren kann an der Stelle oder von einem entfernten Ort unter Verwendung von Arbeitsplatzcomputern programmiert und überwacht werden. In dieser Hinsicht können mehrere Mischarbeitsgänge oder Einheiten von einem entfernten Ort programmiert und überwacht werden. Zum Beispiel kann ein PC 1 (Arbeitsplatzrechner Nr. 1) den Arbeitsgang von N Mischeinheiten (Einheit 1, Einheit 2, Einheit N) überwachen und PC2 (Arbeitsplatzrechner Nr. 2) wird verwendet, um den Arbeitsgang jeder Mischeinheit zu programmieren. PC 1 kann unter Verwendung von Rockwell Software RSsql. betrieben werden. PC2 kann unter Verwendung von Rockwell Software RSlogix betrieben werden. PC 1 und PC2 kommunizieren mit der PLC jeder Mischeinheit über Telefonleitungen unter Verwendung einer Karte/eines Modems. PC1 und PC2 können auf Windows NT-Betriebssystemen betrieben werden.
Während eines Betriebs kann eine Aufzeichnung für jede der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen, die hergestellt werden, unter Verwendung von PC 1 erfolgen. Diese Aufzeichnung kann die Menge einer jeden verwendeten Mischkomponente, das Datum und die Zeit, an dem/der das Gemisch vervollständigt wurde, eine einzigartige Chargen-Identifikationsnummer und jegliche Alarmsignale, die während der Charge aufgetreten sein könnten, beinhalten. Zusätzlich zu den Chargenaufzeichnungen können zwei Ablauf-Gesamtresultate erzeugt werden. Eines ist die Gesamtmenge an Additiv, die in den Chargen verwendet wurde, und das andere ist die gesamte hergestellte wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung. Diese zwei Zahlen können verwendet werden, um einen Abgleich gegenüber der gesamten Charge herzustellen, um die Produktion zu bestätigen.
Ein Zugang von Daten kann automatisch mit PC 1 begonnen werden. An einem vorprogrammierten Intervall wählt PC 1 die Telefonnummer der Mischeinheit an. Das Mischeinheitsmodem antwortet dem ankommenden Anruf und verbindet den PC 1 an die Mischeinheit. Daten, die von PC 1 angefordert werden, werden automatisch von der Mischeinheit zu PC 1 über die Telefonverbindung übermittelt. PC 1 bricht sodann die entfernte Verbindung ab. Die gewonnenen Daten werden in eine Datenbank in PC 1 übermittelt, die SQL (strukturierte Anfragesprache)-fähig ist. Die Daten können sodann angesehen werden oder Berichte können unter Verwendung einer Vielzahl von herkömmlich erhältlichen Softwareprogrammen (z.B. Access oder Excel von Microsoft oder SAP R/3 von SAP AG) erzeugt werden.
Die Betriebsparameter des Verfahrens (z.B. Hochscher-Mischzeitspanne, Menge an jeder verwendeten Komponente pro Charge, usw.) werden durch die PLC gesteuert. Die PLC kann durch PC2 programmiert werden. Diese Parameter können unter Verwendung von PC2 geändert werden.
In einer Ausführungsform liegt die Vorrichtung in der Form einer containerisierten Ausrüstungsbaugruppe oder -einheit vor. Die Vorrichtung kann innerhalb eines verlängerten rechteckigen Gehäuses beherbergt sein, das Zugangstüren aufweist. Das Gehäuse kann auf Rädern befestigt sein, um es mit Mobilität für einen Transport von einer Anwenderstelle zu einer anderen bereitzustellen, oder es kann an einer Verwenderstelle permanent befestigt sein. Innerhalb des Gehäuses sind der Lagertank für chemisches Additiv und der Lagertank für Antivereisungsmittel gleich nebeneinander befestigt, angrenzend zu einer Seitenwand des Gehäuses. Der Mischtank ist gleich neben dem Lagertank für chemisches Additiv befestigt. Pumpen und Hochschermischer sind Seite an Seite gleich neben den Tanks angeordnet. Die Pumpe ist neben dem Mischtank angeordnet. Der Lagertank für wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung ist neben dem Hochschermischer und der Pumpe befestigt. Der Wasserlagertank und der Enthärter sind nebeneinander angrenzend zu der anderen Seitenwand des Gehäuses befestigt. Elektrische Kontrollen für die PLC und ein Display für die PLC sind an den Gehäusewänden befestigt. Der Verteiler ist außerhalb des Gehäuses befestigt. Die Zwischenverbindungen der Komponenten des Aufbaus und deren Betrieb sind wie vorstehend beschrieben.
Die wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen
Die erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen werden nun beschrieben. Diese Brennstoffzusammensetzungen können gemäß dem vorstehenden Verfahren unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden. Das zum Herstellen dieser Zusammensetzungen verwendete Wasser kann von jeder geeigneten Quelle stammen. In einer Ausführungsform wird das Wasser entionisiert, bevor es mit dem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff und chemischen Additiven gemischt wird. In einer Ausführungsform wird das Wasser unter Verwendung von reverser Osmose oder Destillation aufgereinigt.
Das Wasser ist in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 5 bis 40 Gew.-% und in einer Ausführungsform 10 bis 30 Gew.-% und in einer Ausführungsform 15 bis 25 Gew.-% vorhanden.
Der normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff
Der normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff kann ein kohlenwasserstoffhaltiger Erdöldestillatbrennstoff wie Motorbenzin, wie durch die ASTM-Spezifikation D439 definiert, oder ein Dieselbrennstoff oder Brennstofföl, wie durch die ASTM-Spezifikation D396 definiert, sein. Normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoffe, die nicht kohlenwasserstoffhaltige Materialien wie Alkohole, Ether, Organonitroverbindungen und dergleichen (z.B. Methanol, Ethanol, Diethylether, Methylethylether, Nitromethan) umfassen, liegen auch innerhalb des Umfangs der Erfindung genauso wie flüssige Brennstoffe, die von pflanzlichen oder mineralischen Quellen wie Mais, Alfalfa, Schiefer und Kohle abgeleitet sind. Normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff, die Gemische eines oder mehrerer kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe und eines oder mehrerer nicht kohlenwasserstoffhaltiger Materialien sind, sind auch vorgesehen. Beispiele für solche Gemische sind Kombinationen von Benzin und Ethanol und Dieselbrennstoff und Ether.
In einer Ausführungsform ist der normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff Benzin, d.h. ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen mit einem ASTM-Destillationsbereich von 60°C bei dem 10%igen Destillationspunkt bis 205°C bei dem 90%igen Destillationspunkt. In einer Ausführungsform ist das Benzin ein chlorfreies Benzin oder ein Benzin mit niedrigem Chlorgehalt, das durch einen Chlorgehalt von nicht mehr als 10 ppm charakterisiert ist.
Die Dieselbrennstoffe, die erfindungsgemäß verwendbar sind, können ein jeglicher Dieselbrennstoff sein. Diese Dieselbrennstoffe weisen typischerweise eine Temperatur bei einem 90%igen Destillationspunkt von 300 bis 390°C und in einer Ausführungsform 330 bis 350°C auf. Die Viskosität dieser Brennstoffe reicht typischerweise von 1,3 bis 24 Centistokes bei 40°C. Die Dieselbrennstoffe können als eine jegliche der Güten Nr. 1-D, 2-D oder 4-D klassifiziert werden, wie in ASTM D975 spezifiziert. Diese Dieselbrennstoffe können Alkohole und Ester enthalten. In einer Ausführungsform weist der Dieselbrennstoff einen Schwefelgehalt von bis zu 0,05 Gew.-% (Dieselbrennstoff mit niedrigem Schwefelgehalt) auf, wie durch das in ASTM D2622-87 spezifizierte Testverfahren bestimmt. In einer Ausführungsform ist der Dieselbrennstoff ein chlorfreier Dieselbrennstoff oder ein Dieselbrennstoff mit niedrigem Chlorgehalt, der durch einen Chlorgehalt von nicht mehr als 10 ppm charakterisiert ist.
Der normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff ist in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 50 bis 95 Gew.-% und in einer Ausführungsform 60 bis 95 Gew.-% und in einer Ausführungsform 65 bis 85 Gew.-% und in einer Ausführungsform 70 bis 80 Gew.-% vorhanden.
Die chemischen Additive
In einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäß verwendete chemische Additiv eine Emulgatorzusammensetzung, wie vorstehend definiert. Gemische von (i), (ii) und (iii) sind bevorzugt. Diese Emulgatorzusammensetzung ist in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 0,05 bis 20 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,05 bis 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 5 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 3 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 2,5 Gew.-% vorhanden.
Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i)
Das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel für das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) kann eine Carbonsäure oder ein reaktives Äquivalent einer solchen Säure sein. Das reaktive Äquivalent kann ein Säurehalogenid, -anhydrid oder ein Ester sein, einschließlich Teilestern und dergleichen. Der Hydrocarbylsubstituent für das Carbonsäure-Acylierungsmittel kann 50 bis 300 Kohlenstoffatome und in einer Ausführungsform 60 bis 200 Kohlenstoffatome enthalten. In einer Ausführungsform weist der Hydrocarbylsubstituent des Acylierungsmittels ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 750 bis 3000 und in einer Ausführungsform 900 bis 2000 auf.
In einer Ausführungsform kann das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel für das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) da durch hergestellt werden, dass ein oder mehrere alpha,beta-olefinisch ungesättigte Carbonsäure-Reagenzien mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, ausschließlich der Carboxylgruppen, mit einem oder mehreren Olefin-Polymeren, wie vollständiger hierin nachstehend beschrieben, umgesetzt werden.
Die alpha,beta-olefinisch ungesättigten Carbonsäure-Reagenzien können in ihrer Art entweder einbasisch oder mehrbasisch sein. Beispiele für die einbasische alpha,beta-olefinisch ungesättigte Carbonsäure umfassen die Carbonsäuren der Formel:
worin R ein Wasserstoffatom oder eine gesättigte aliphatische oder alicyclische Gruppe, eine Aryl-, Alkylaryl- oder heterocyclische Gruppe, vorzugsweise ein Wasserstoffatom oder eine Niederalkylgruppe ist und R¹ ein Wasserstoffatom oder eine Niederalkylgruppe ist. Die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in R und R¹ übersteigt typischerweise 18 Kohlenstoffatome nicht. Spezifische Beispiele für geeignete einbasische alpha,beta-olefinisch ungesättigte Carbonsäuren umfassen Acrylsäure, Methacrylsäure, Zimtsäure, Crotonsäure, 3-Phenylpropensäure, alpha- und beta-Decensäure. Die mehrbasischen Säurereagenzien sind vorzugsweise Dicarbonsäuren, obwohl Tri- und Tetracarbonsäuren verwendet werden können. Beispiele für mehrbasische Säuren umfassen Maleinsäure, Fumarsäure, Mesaconsäure, Itaconsäure und Citraconsäure. Reaktive Äquivalente der alpha,beta-olefinisch ungesättigten Carbonsäure-Reagenzien umfassen die funktionellen Anhydrid-, Ester- oder Amid-Derivate der vorstehenden Säuren. Ein bevorzugtes reaktives Äquivalent ist Maleinsäureanhydrid.
Die Olefin-Monomere, von denen sich die Olefin-Polymere ableiten können, sind polymerisierbare Olefn-Monomere, die dadurch charakterisiert sind, dass sie eine oder mehrere ethylenisch ungesättigte Gruppen aufweisen. Sie können monoolefinische Monomere wie Ethylen, Propylen, Buten-1, Isobuten und Octen-1 oder polyolefinische Monomere (gewöhnlich diolefinische Monomere wie Butadien-1,3 und Isopren) sein. Gewöhnlich sind diese Monomere terminale Olefine, d.h. Olefine, die durch das Vorhandensein der Gruppe >C=CH₂ charakterisiert sind. Jedoch können bestimmte interne Olefine auch als Monomere dienen (diese werden manchmal als mittlere Olefine bezeichnet). Wenn solche mittleren Olefin-Monomere verwendet werden, werden sie normalerweise zusammen mit terminalen Olefinen verwendet, um Olefin-Polymere herzustellen, die Copolymere sind. Obwohl die Olefin-Polymere auch aromatische Gruppen (insbesondere Phenylgruppen und Niederalkyl- und/oder Niederalkoxy-substituierte Phenylgruppen wie para(tertiär-Butyl)phenylgruppen) und alicyclische Gruppen wie diejenigen, die man aus polymerisierbaren cyclischen Olefinen oder alicyclischsubstituierten polymerisierbaren cyclischen Olefinen erhalten würde, beinhalten können, sind die Olefin-Polymere gewöhnlich frei von solchen Gruppen. Nichtsdestotrotz sind Olefin-Polymere, die von solchen Copolymeren von sowohl 1,3-Dienen und Styrolen wie Butadien-1,3 und Styrol oder para(tertiär-Butyl)styrol abgeleitet sind, Ausnahmen dieser allgemeinen Regel.
Im Allgemeinen sind die Olefin-Polymere Homo- oder Copolymere von terminalen Hydrocarbyl-Olefinen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 2 bis 16 Kohlenstoffatomen. Eine typischere Klasse von Olefin-Polymeren ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Homo- und Copolymeren von terminalen Olefinen mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 2 bis 4 Kohlenstoffatomen.
Spezifische Beispiele von terminalen und mittleren Olefin-Monomeren, die zum Herstellen der Olefin-Polymere verwendet werden können, umfassen Ethylen, Propylen, Buten-1, Buten-2, Isobuten, Penten-1, Hexen-1, Hepten-1, Octen-1, Nonen-1, Decen-1, Penten-2, Propylentetramer, Diisobutylen, Isobutylen-Trimer, Butadien-1,2, Butadien-1,3, Pentadien-1,2, Pentadien-1,3, Isopren, Hexadien-1,5, 2-Chlorbutadien-1,3, 2-Methylhepten-1, 3-Cyclohexylbuten-1, 3,3-Dimethylpenten-1, Styroldivinylbenzol, Vinylacetatallylalkohol, 1-Methylvinylacetat, Acrylnitril, Ethylacrylat, Ethylvinylether und Methylvinylketon. Von diesen sind die reinen Kohlenwasserstoff-Monomere typischer und die terminalen Olefin-Monomere sind besonders geeignet.
In einer Ausführungsform sind die Olefin-Polymere Polyisobutylene wie diejenigen, die durch Polymerisation eines C₄-Raffinationsstroms mit einem Butengehalt von 35 bis 75 Gew.-% und einem Isobutengehalt von 30 bis 60 Gew.-% in Gegenwart eines Lewis-Säure-Katalysators wie Aluminiumchlorid oder Bortrifluorid erhalten werden. Diese Polyisobutylene enthalten im Allgemeinen vorwiegend (d.h. mehr als 50% der gesamten sich wiederholenden Einheiten) wiederholende Isobuten-Einheiten der Konfiguration:
In einer Ausführungsform ist das Olefin-Polymer eine Polyisobutengruppe (oder Polyisobutylengruppe) mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von 750 bis 3000 und in einer Ausführungsform 900 bis 2000.
In einer Ausführungsform ist das Acylierungsmittel für das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) eine Hydrocarbyl-substituierte Bernsteinsäure oder ein Anhydrid, dargestellt in entsprechender Weise durch die Formeln
worin R eine Hydrocarbylgruppe mit 50 bis 500 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 50 bis 300 und in einer Ausführungsform 60 bis 200 Kohlenstoffatomen ist. Die Herstellung dieser Hydrocarbyl-substituierten Bernsteinsäuren oder Anhydride mittels Alkylierung von Maleinsäure oder -anhydrid oder ihrer Derivate mit einem Halogenkohlenwasserstoff oder mittels Umsetzung von Maleinsäure oder -anhydrid mit einem Olefin-Polymer mit einer terminalen Doppelbindung ist dem Fachmann bekannt und muss hier nicht genau beschrieben werden.
In einer Ausführungsform ist das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel für das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) ein Hydrocarbyl-substituiertes Bernsteinsäure-Acylierungsmittel, das aus Hydrocarbyl-substituenten-Gruppen und Bernsteinsäuregruppen besteht. Die Hydrocarbyl-substituenten-Gruppen leiten sich von einem Olefin-Polymer, wie vorstehend beschrieben, ab. Das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel ist durch das Vorhandensein innerhalb seiner Struktur von durchschnittlich mindestens 1,3 Bersteinsäuregruppen und in einer Ausführungsform 1,5 bis 2,5 und in einer Ausführungsform 1,7 bis 2,1 Bernsteinsäuregruppen für jedes Äquivalentgewicht des Hydrocarbylsubstituenten charakterisiert.
Für die erfindungsgemäßen Zwecke soll das Äquivalentgewicht der Hydrocarbyl-substituenten-Gruppe des Hydrocarbyl-substituierten Bernsteinsäure-Acylierungsmittels die Zahl sein, die dadurch erhalten wird, dass das Molekulargewicht-Zahlenmittel (M_n-Wert) des Polyolefins, von dem der Hydrocarbylsubstituent abstammt, in das Gesamtgewicht aller Hydrocarbylsubstituenten-Gruppen, die in den Hydrocarbyl-substituierten Bernsteinsäure-Acylierungsmitteln vorhanden sind, geteilt wird. Folglich ist, wenn ein Hydrocarbyl-substituiertes Acylierungsmittel durch ein Gesamtgewicht aller Hydrocarbylsubstituenten von 40 000 charakterisiert ist und der M_n-Wert für das Polyolefin, von dem die Hydrocarbylsubstituenten-Gruppen abstammen, 2000 beträgt, sodann das substituierte Bernsteinsäure-Acylierungsmittel durch insgesamt 20 (40 000/2000 = 20) Äquivalentgewichte an Substituenten-Gruppen charakterisiert.
Das Verhältnis von Bernsteinsäuregruppen zu Äquivalent an Substituenten-Gruppen, die in dem Hydrocarbyl-substituierten Bernsteinsäure-Acylierungsmittel vorhanden sind, (auch als das "Succinierungs"-Verhältnis bezeichnet) kann durch den Fachmann unter Verwendung herkömmlicher Techniken (wie aus Verseifungs- und Säurezahlen) bestimmt werden. Zum Beispiel kann die nachstehende Formel verwendet werden, um das Succinierungsverhältnis zu berechnen, falls Maleinsäureanhydrid in dem Acylierungsverfahren verwendet wird:
In dieser Gleichung ist SR das Succinierungsverhältnis, M_n ist das Molekulargewicht-Zahlenmittel und Vers.-Z. ist die Verseifungszahl. In der vorstehenden Gleichung ist die Verseifungszahl des Acylierungsmittels gleich der gemessenen Verseifungszahl des endgültigen Reaktionsgemisches/AI, worin AI der Gehalt an aktivem Bestandteil ist, ausgedrückt als eine Zahl zwischen 0 und 1, aber nicht gleich 0. Folglich entspricht einem Gehalt an aktivem Bestandteil von 80% einem AI-Wert von 0,8. Der AI-Wert kann unter Verwendung von Techniken wie Säulenchromatographie berechnet werden, die verwendet werden können, um die Menge an nicht umgesetztem Polyalken in dem endgültigen Reaktionsgemisch zu bestimmen. Als eine grobe Abschätzung wird der AI-Wert nach Abzug des Anteils an nicht umgesetztem Polyalken von 100 bestimmt.
Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i)(a) kann unter Verwendung eines Alkanolamins, typischerweise von primären, sekundären oder tertiären Alkanolaminen, gebildet werden. Die Alkanolamine können durch die Formeln:
dargestellt werden, worin in den vorstehenden Formeln jede R-Gruppe unabhängig eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Hydroxyl-substituierte Hydrocarbylgruppe mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen ist und jede R'-Gruppe unabhängig eine Hydrocarbylengruppe (d.h. eine bivalente Kohlenwasserstoffgruppe) mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen ist. Die Gruppe -R'-OH in solchen Formeln entspricht der Hydroxyl-substituierten Hydrocarbylengruppe. R' kann eine acyclische, alicyclische oder aromatische Gruppe sein. In einer Ausführungsform ist R' eine acyclische geradkettige oder verzweigte Alkylengruppe wie eine Ethylen-, 1,2-Propylen-, 1,2-Butylen-, 1,2-Octadecylengruppe, usw. Wenn zwei R-Gruppen in dem gleichen Molekül vorhanden sind, können sie durch eine direkte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung oder über ein Heteroatom (z.B. Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatom) verbunden sein, um eine 5-, 6-, 7- oder 8-gliedrige Ringstruktur auszubilden. Beispiele für solche heterocyclischen Amine umfassen N-(Hydroxyl-niederalkyl)morpholine, -thiomorpholine, -piperidine, -oxazolidine, -thiazolidine und dergleichen. Typischerweise ist jedoch jede R-Gruppe unabhängig eine Niederalkylgruppe mit bis zu 7 Kohlenstoffatomen.
Geeignete Beispiele der vorstehenden Alkanolamine umfassen Mono-, Di- und Triethanolamin, Dimethylethanolamin, Diethylethanolamin, Di(3-hydroxylpropyl)amin, N-(3-Hydroxylbutyl)amin, N-(4-Hydroxylbutyl)amin und N,N-Di(2-Hydroxylpropyl)amin.
Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) kann ein Salz, ein Ester, ein Amid, ein Imid oder eine Kombination davon sein. Das Salz kann ein inneres Salz, das Reste eines Moleküls des Acylierungsmittels und des Ammoniaks oder Amins einschließt, wobei eine der Carboxylgruppen an ein Stickstoffatom innerhalb derselben Gruppe ionisch gebunden ist, sein oder es kann ein externes Salz sein, worin die ionische Salzgruppe mit einem Stickstoffatom gebildet wird, das nicht Teil des gleichen Moleküls ist. In einer Ausführungsform ist das Amin ein Hydroxyamin, das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel ist ein Hydrocarbyl-substituiertes Bernsteinsäureanhydrid und das sich ergebende Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) ist ein Halbester und Halbsalz, d.h. ein Ester/Salz.
Die Umsetzung zwischen dem Hydrocarbyl-substituierten Carbonsäure-Acylierungsmittel und dem Alkanolamin erfolgt unter Bedingungen, die die Bildung des gewünschten Produkts unterstützen. Typischerweise werden das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel und das Alkanolamin zusammengemischt und auf eine Temperatur von 50 bis 250°C und in einer Ausführungsform 80 bis 200°C, gegebenenfalls in Gegenwart eines normalerweise flüssigen, im Wesentlichen inerten organischen flüssigen Lösungsmittels/Verdünnungsmittels, erhitzt, bis das gewünschte Produkt sich gebildet hat. In einer Ausführungsform werden das Hydrocarbyl-substituierte Carbonsäure-Acylierungsmittel und das Alkanolamin in Mengen umgesetzt, die ausreichen, um 0,3 bis 3 Äquivalente an Hydrocarbyl-substituiertem Carbonsäure-Acylierungsmittel pro Äquivalent an Amin zu liefern. In einer Ausführungsform beträgt dieses Verhältnis 0,5:1 bis 2:1 und in einer Ausführungsform 1:1.
In einer Ausführungsform wird das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) (a) durch Umsetzen eines Polyisobuten-substituierten Bernsteinsäureanhydrids mit durchschnittlich 1 bis 3 Bernsteinsäuregruppen für jedes Äquivalent an Polyisobutengruppe mit Diethanolamin oder Dimethylethanolamin in einem Äquivalentverhältnis (d.h. Carbonyl-zu-Amin-Verhältnis) von 1 bis 0,4–1,25 und in einer Ausführungsform 1:1 hergestellt. Die Polyisobutengruppe weist ein Mo lekulargewicht-Zahlenmittel von 750 bis 3000 und in einer Ausführungsform 900 bis 2000 auf.
Die Komponente (i) ist eine Kombination von (i)(a) mindestens eines Reaktionsprodukts eines Acylierungsmittels mit einem Alkanolamin und (i)(b) mindestens eines Reaktionsprodukts eines Acylierungsmittels mit mindestens einem Ethylenpolyamin.
Spezifischer ist die Komponente (i)(a) ein Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliches Produkt, das dadurch hergestellt wird, dass ein Acylierungsmittel mit einem Alkanolamin umgesetzt wird, wobei das Alkanolamin vorzugsweise ein Dimethylethanolamin oder ein Diethylethanolamin ist. Vorzugsweise wird die Komponente (i)(a) aus einer Polyisobutylengruppe, die ein Molekulargewicht-Zahlenmittel (Mn) von 1500 bis 3000 aufweist und die in dem Bereich von 1,3 bis zu 2,5 maleinisiert oder succiniert ist, hergestellt.
Die Komponente (i)(b) ist ein Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliches Produkt, das durch Umsetzen eines Acylierungsmittels mit mindestens einem Ethylenpolyamin wie TEPA (Tetraethylenpentamin), PEHA (Pentaethylenhexamin), TETA (Triethylentetramin), Polyaminsümpfen oder mindestens einem schweren Polyamin hergestellt wird. Das Ethylenpolyamin kann kondensiert sein, um ein Succinimid zu bilden, wie in Beispiel 3 veranschaulicht. Das Äquivalentverhältnis der Reaktion für CO:N beträgt 1:1,5 bis 1:0,5, mehr bevorzugt 1:1,3 bis 1:0,70 und am meisten bevorzugt 1:1 bis 1:0,70, wobei der CO:N-Wert das Carbonyl-zu-Aminstickstoff-Verhältnis ist. Auch wird die Komponente (i)(b) vorzugsweise aus einer Polyisobutylengruppe hergestellt, die ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 700 bis 1300 aufweist und die in dem Bereich von 1,0 bis 1,3 succiniert ist.
Die Polyamine, die beim Umsetzen mit dem Acylierungsmittel für die Komponente (i)(b) geeignet sind, können aliphatische, cycloaliphatische, heterocyclische oder aromatische Verbindungen sein. Besonders geeignet sind die Alkylenpolyamine der Formel:
worin n einen Wert von 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 7 aufweist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom, eine Hydrocarbylgruppe oder eine Hydroxy-substituierte Hydrocarbylgruppe mit bis zu 700 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform bis zu 100 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform bis zu 50 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform bis zu 30 Kohlenstoffatomen ist und die "Alkylen"-Gruppe 1 bis 18 Kohlenstoffatome und in einer Ausführungsform 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweist.
Schwere Polyamine ergeben sich typischerweise aus einem Abstreifen von Polyamingemischen, um Polyamine mit niederem Molekulargewicht und flüchtige Komponenten zu entfernen, damit als Rückstand zurückgelassen wird, was oft als "Polyaminsümpfe" bezeichnet wird. Im Allgemeinen können Alkylenpolyaminsümpfe dadurch charakterisiert werden, dass sie weniger als 2%, gewöhnlich weniger als 1% (nach Gewicht) an Material aufweisen, das unter 200°C siedet. In dem Fall von Ethylenpolyaminsümpfen, die leicht erhältlich sind und von denen festgestellt wurde, dass sie ziemlich geeignet sind, enthalten die Sümpfe insgesamt weniger als 2% (nach Gewicht) an Diethylentriamin (DETA) oder Triethylentetramin (TETA), wie in der US-PS 5,912,213 dargelegt, die hierin durch eine Referenz in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist. Eine typische Probe solcher Ethylenpolyaminsümpfe, die von der Dow Chemical Company von Freeport, Texas, erhalten und als "E-100" bezeichnet wird, weist ein spezifisches Gewicht bei 15,6°C von 1,0168, 33,15 Gew.-% Stickstoff und eine Viskosität bei 40°C von 121 Centistokes auf. Eine Gaschromatographieanalyse einer solchen Probe zeigte, dass sie 0,93% "leichte Enden" (am wahrscheinlichsten Diethylentriamin), 0,72% Triethylentetramin, 21,74% Tetraethylenpentamin und 76,61% Pentaethylenhexamin und Höheres (nach Gewicht) enthält. Eine weitere käuflich erhältliche Probe ist von Union Carbide, die als HPA-X^® bekannt ist. Diese Alkylenpolyaminsümpfe umfassen cyclische Kondensationsprodukte wie Piperazin und höhere Analoga von Diethylentriamin, Triethylentetramin und dergleichen.
Der Begriff "schweres Polyamin" kann auch ein Polyamin betreffen, das 7 oder mehr Stickstoffatome pro Molekül enthält, oder Polyamin-Oligomere mit 7 oder mehr Stickstoffatomen pro Molekül und mit 2 oder mehr primären Aminen pro Molekül, wie z.B. in der EP-PS 0 770 098 dargelegt, die hierin durch eine Referenz in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
In einer weiteren Ausführungsform können sowohl i(a) als auch i(b) jeweils aus einer Polyisobutylengruppe mit höherem Molekulargewicht (was einen Mn-Wert von mehr oder gleich 1500, vorzugsweise 1500 bis 3000 bedeutet) hergestellt werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Komponenten i(a) und i(b) jeweils aus einer Polyisobutylengruppe mit niedrigerem Molekulargewicht (was einen Mn-Wert von weniger als oder gleich 1300, vorzugsweise 700 bis 1300 bedeutet) hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die. Komponente i(a) aus einer Polyisobutylengruppe mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von 700 bis 1300 hergestellt und die Komponente i(b) wird aus einer Polyisobutylengruppen mit einem Mn-Wert von 1500 bis 3000 hergestellt.
Vorzugsweise wird die Komponente (i)(b) durch Umsetzen (eines Bernsteinsäure-Acylierungsmittel mit einem Polyamin) bei einer Temperatur hergestellt, die ausreicht, um Wasser zu entfernen und ein Succinimid zu bilden.
Vorzugsweise wird die Komponente (i)(b) mit der Komponente (i)(a) in einer Menge von 0,05 bis 0,95%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Komponente (i), vereinigt.
Das nachstehende Beispiel veranschaulicht die Herstellung der Komponente (i)(b).
Beispiel
Ein Reaktionsgemisch, das 196 Gewichtsteile an Mineralöl, 280 Gewichtsteile eines Polyisobutenyl (Molekulargewicht von 1000)-substituierten Bernsteinsäureanhydrids (0,5 Äquivalente) und 15,4 Teile eines käuflichen Gemisches eines Ethylenpolyamins mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung, die derjenigen von Tetraethylenpentamin (0,375 Äquivalente) entspricht, umfasst, wird über einen Zeitraum von etwa 15 Minuten gemischt. Die Reaktionsmasse wird sodann auf 150°C über einen 5-stündigen Zeitraum erhitzt und anschließend mit Stickstoff bei einer Geschwindigkeit von 5 Teilen pro Stunde für 5 Stunden beblasen, während eine Temperatur von 150–155°C gehalten wird, um Wasser zu entfernen. Das Material wird sodann gefiltert, was 477 Teile eines Produkts in Öllösung ergibt.
Das Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliche Produkt (i) kann in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 0,1 bis 15 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 5 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 2 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 1 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 0,7 Gew.-% vorhanden sein.
Die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii)
Die ionische oder nicht ionische Verbindung (ü) weist einen Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichts (HLB)-Wert von 1 bis 10 und in einer Ausführungsform 4 bis 8 auf. Beispiele für diese Verbindungen sind in McCutcheon's Emulsifiers and Detergents, 1998, nordamerikanische und internationale Ausgabe, beschrieben. Die Seiten 1–235 der nordamerikanischen Ausgabe und die Seiten 1-199 der internationalen Ausgabe beschreiben solche ionischen und nicht ionischen Verbindungen mit einem HLB-Wert von 1 bis 10. Geeignete Verbindungen umfassen Alkanolamide, Alkylarylsulfonate, Aminoxide, Poly(oxyalkylen)-Verbindungen, einschließlich Block-Copolymeren, die sich wiederholende Alkylenoxid-Einheiten umfassen, carboxylierte Alkoholethoxylate, ethoxylierte Alkohole, ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte Amine und Amide, ethoxylierte Fettsäuren, ethoxylierte Fettester und Öle, Fettester, Fettsäureamide, Glycerinester, Glykolester, Sorbitanester, Imidazolin-Derivate, Lecithin und Derivate, Lignin und Derivate, Monoglyceride und Derivate, Olefinsulfonate, Phosphatester und Derivate, propoxylierte und ethoxylierte Fettsäuren oder Alkohole oder Alkylphenole, Sorbitan-Derivate, Sucroseester und Derivate, Sulfate oder Alkohole oder ethoxylierte Alkohole oder Fettester, Sulfonate von Dodecyl- und Tridecylbenzolen oder kondensierten Naphthalenen oder Erdöl, Sulfosuccinate und Derivate und Tridecyl- und Dodecylbenzolsulfonsäuren.
In einer Ausführungsform ist die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii) eine Poly(oxyalkylen)-Verbindung. Diese umfassen Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid. In einer Ausführungsform ist die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii) ein Copolymer der Formel
worin x und x' die Anzahl von sich wiederholenden Einheiten von Propylenoxid sind und y die Anzahl von sich wiederholenden Einheiten von Ethylenoxid ist, wie in der Formel gezeigt. In einer Ausführungsform sind x und x' unabhängig voneinander Zahlen von 0 bis 20 und y ist eine Zahl von 4 bis 60. In einer Ausführungsform weist dieses Copolymer ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 1800 bis 3000 und in einer Ausführungsform 2100 bis 2700 auf.
In einer Ausführungsform ist die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii) ein Kohlenwasserstoffbrennstoff-lösliches Produkt, das durch Umsetzen eines Acylierungsmittels mit 12 bis 30 Kohlenstoffatomen mit Ammoniak oder einem Amin hergestellt wird. Das Acylierungsmittel kann 12 bis 24 Kohlenstoffatome und in einer Ausführungsform 12 bis 18 Kohlenstoffatome enthalten. Das Acylierungsmittel kann eine Carbonsäure oder ein reaktives Äquivalent davon sein. Die reaktiven Äquivalente umfassen Säurehalogenide, Anhydride, Ester und dergleichen. Diese Acylierungsmittel können einbasische Säuren oder mehrbasische Säuren sein. Die mehrbasischen Säuren sind vorzugsweise Dicarbonsäuren, obwohl Tri- und Tetracarbonsäuren verwendet werden können. Diese Acylierungsmittel können Fettsäuren sein. Beispiele umfassen Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure und dergleichen. Diese Acylierungsmittel können Bernsteinsäuren oder Anhydride der Formeln:
sein, worin in jeder der vorstehenden Formeln R eine Hydrocarbylgruppe mit 10 bis 28 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 12 bis 20 Kohlenstoffatomen ist. Beispiele umfassen Tetrapropylen-substituierte Bernsteinsäure oder -anhydrid, Hexadecylbernsteinsäure oder -anhydrid und dergleichen. Das Amin kann ein jegliches der Amine sein, die zum Herstellen des Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts (i) als geeignet vorstehend beschrieben sind. Das Produkt der Reaktion zwischen dem Acylierungsmittel und dem Ammoniak oder Amin kann ein Salz, ein Ester, ein Amid, ein Imid oder eine Kombination davon sein. Das Salz kann ein inneres Salz, das Reste eines Moleküls des Acylierungsmittels und des Ammoniaks oder Amins einschließt, wobei eine der Carboxylgruppen an das Stickstoffatom innerhalb der gleichen Gruppe ionisch gebunden ist, sein oder es kann ein externes Salz sein, wobei die ionische Salzgruppe mit einem Stickstoffatom gebildet wird, das nicht Teil des gleichen Moleküls ist. Die Reaktion zwischen dem Acylierungsmittel und dem Ammoniak oder Amin erfolgt unter Bedingungen, die die Bildung des gewünschten Produkts unterstützen. Typischerweise werden das Acylierungsmittel und das Ammoniak oder Amin zusammengemischt und auf eine Temperatur von 50–250°C und in einer Ausführungsform 80–200°C, gegebenenfalls in Gegenwart eines normalerweise flüssigen, im Wesentlichen inerten organischen flüssigen Lösungsmittels/Verdünnungsmittels, erhitzt, bis sich das gewünschte Produkt gebildet hat. In einer Ausführungsform werden das Acylierungsmittel und das Ammoniak oder Amin in Mengen umgesetzt, die ausreichen, um 0,3 bis 3 Äquivalente an Acylierungsmittel pro Äquivalent an Ammoniak oder Amin bereitzustellen. In einer Ausführungsform beträgt dieses Verhältnis 0,5:1 bis 2:1 und in einer Ausführungsform 1:1.
In einer Ausführungsform ist die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii) ein Ester/Salz, das durch Umsetzen von Hexadecylbernsteinsäureanhydrid mit Dimethylethanolamin in einem Äquivalentverhältnis (d.h. Carbonyl-zu-Amin-Verhältnis) von 1:1 bis 1:1,5 und in einer Ausführungsform 1:1,35 hergestellt wird.
Die ionische oder nicht ionische Verbindung (ii) kann in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 0,01 bis 15 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,01 bis 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,01 bis 5 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,01 bis 3 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 1 Gew.-% vorhanden sein.
Das wasserlösliche Salz (iii)
Die wasserlöslichen Salze (iii) sind die Amin- oder Ammoniumsalze der Formel k[G(NR3)y]y+ nXp– worin G ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 1 bis 2 Kohlenstoffatomen und einer Valenz von y ist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 1 bis 5 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 1 bis 2 Kohlenstoffatomen ist, X^p– ein Anion mit einer Valenz von p ist und k, y, n und p unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von mindestens 1 sind. Falls G H ist, weist y den Wert 1 auf. Die Summe der positiven Ladung ky⁺ ist gleich zu der Summe der negativen Ladung nX^p–. In einer Ausführungsform ist X ein Nitration und in einer Ausführungsform ist es ein Acetation. Beispiele umfassen Ammoniumnitrat, Ammoniumacetat, Methylammoniumnitrat, Methylammoniumacetat, Ethylendiamindiacetat, Harnstoffnitrat und Harnstoffdinitrat. Ammoniumnitrat ist besonders geeignet.
In einer Ausführungsform fungiert das wasserlösliche Salz (iii) als ein Emulsionsstabilisator, d.h. es dient dazu, die wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen zu stabilisieren.
In einer Ausführungsform fungiert das wasserlösliche Salz (iii) als ein Verbrennungsverbesserungsmittel. Ein Verbrennungsverbesserungsmittel ist durch seine Fähigkeit charakterisiert, die Brandrate der Brennstoffzusammensetzung zu erhöhen. Folglich weist die Gegenwart solcher Verbrennungsverbesserungsmittel die Wirkung auf, die Ausgangsleistung eines Motors zu verbessern.
Das wasserlösliche Salz (iii) kann in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen bei einer Konzentration von 0,001 bis 1 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,01 bis 1 Gew.-% vorhanden sein.
Cetanverbesserungsmittel
In einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung ein Cetanverbesserungsmittel. Die Cetanverbesserungsmittel, die geeignet sind, umfassen Peroxide, Nitrate, Nitrite, Nitrocarbamate und dergleichen. Geeignete Cetanverbesserungsmittel umfassen Nitropropan, Dinitropropan, Tetranitromethan, 2-Nitro-2-methyl-1-butanol, 2-Methyl-2-nitro-1-propanol und dergleichen. Auch umfasst sind Nitratester von substituierten oder nicht substituierten aliphatischen oder cycloaliphatischen Alkoholen, die eine oder viele OH-Gruppen enthalten können. Diese umfassen substituierte und nicht substituierte Alkyl- oder Cycloalkylnitrate mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen und in einer Ausführungsform 2 bis 10 Kohlenstoffatomen. Die Alkylgruppe kann entweder linear oder verzweigt oder ein Gemisch von linearen oder verzweigten Alkylgruppen sein. Beispiele umfassen Methylnitrat, Ethylnitrat, n-Propylnitrat, Isopropylnitrat, Allylnitrat, n-Butylnitrat, Isobutylnitrat, sec-Butylnitrat, tert-Butylnitrat, n-Amylnitrat, Isoamylnitrat, 2-Amyl nitrat, 3-Amylnitrat, tert-Amylnitrat, n-Hexylnitrat, n-Heptylnitrat, n-Octylnitrat, 2-Ethylhexylnitrat, sec-Octylnitrat, n-Nonylnitrat, n-Decylnitrat, Cyclopentylnitrat, Cyclohexylnitrat, Methylcyclohexylnitrat und Isopropylcyclohexylnitrat. Auch geeignet sind die Nitratester von Alkoxy-substituierten aliphatischen Alkoholen wie 2-Ethoxyethylnitrat, 2-(2-Ethoxyethoxy)ethylnitrat, 1-Methoxypropyl-2-nitrat, 4-Ethoxybutylnitrat, usw. als auch Diolnitrate wie 1,6-Hexamethylendinitrat. Ein besonders geeignetes Cetanverbesserungsmittel ist 2-Ethylhexylnitrat.
Die Konzentration des Cetanverbesserungsmittels in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen kann eine jegliche Konzentration sein, die ausreicht, um solche Zusammensetzungen mit der gewünschten Cetanzahl zu versehen. In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Cetanverbesserungsmittels bis zu 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,05 bis 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,05 bis 5 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,05 bis 1 Gew.-%.
Zusätzliche Additive
Zusätzlich zu den vorstehenden chemischen Additiven können andere Additive, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden. Diese umfassen Antiklopfmittel wie Tetraalkylblei-Verbindungen, Bleifänger wie Halogenalkane (z.B. Ethylendichlorid und Ethylendibromid), aschefreie Dispergiermittel, Antiablagerungsmittel oder Modifizierungsmittel wie Triarylphosphate, Farbstoffe, Cetanverbesserungsmittel, Antioxidanzien wie 2,6-Di-tertiär-butyl-4-methylphenol, Rostinhibitoren wie alkylierte Bernsteinsäuren und -anhydride, bakteriostatische Mittel, Stabilisatoren, Metalldeaktivatoren, Demulgatoren, Schmiermittel des oberen Zylinders und Antivereisungsmittel. Diese chemischen Additive können bei Konzentrationen von bis zu 1 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen, und in einer Ausführungsform 0,01 bis 1 Gew.-% verwendet werden.
Die Gesamtkonzentration an chemischen Additiven in den erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen kann 0,05 bis 30 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 20 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 15 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 5 Gew.-% betragen.
Organisches Lösungsmittel
Die chemischen Additive können mit einem im Wesentlichen inerten, normalerweise flüssigen organischen Lösungsmittel wie Naphtha, Benzol, Toluol, Xylol oder einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie vorstehend beschrieben, verdünnt werden, um ein Additivkonzentrat zu bilden, was sodann mit dem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff erfindungsgemäß gemischt wird. Diese Konzentrate enthalten im Allgemeinen 10 bis 90 Gew.-% des vorstehenden Lösungsmittels. Die wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen können bis zu 60 Gew.-% organisches Lösungsmittel und in einer Ausführungsform 0,01 bis 50 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,01 bis 20 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 5 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 3 Gew.-% enthalten.
Antivereisungsmittel
In einer Ausführungsform enthalten die erfindungsgemäßen wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzungen ein Antivereisungsmittel. Das Antivereisungsmittel ist typischerweise ein Alkohol. Beispiele umfassen Ethylenglykol, Propylenglykol, Methanol, Ethanol und Gemische davon. Methanol, Ethanol und Ethylenglykol sind besonders geeignet. Das Antivereisungsmittel wird typischerweise bei einer Konzentration verwendet, die ausreicht, um ein Gefrieren des Wasser, das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet wird, zu verhindern. Die Konzentration ist folglich von der Temperatur, bei der das Verfahren betrieben wird, oder der Temperatur, bei der der Brennstoff gelagert oder verwendet wird, abhängig. In einer Ausführungsform liegt die Konzentration bei einer Menge von bis zu 10 Gew.-% und in einer Ausführungsform 0,1 bis 10 Gew.-% der wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung und in einer Ausführungsform 1 bis 5 Gew.-%.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen davon dem Fachmann beim Lesen der Beschreibung ersichtlich werden. Folglich soll verstanden werden, dass die hierin beschriebene Erfindung solche Modifikationen umfassen soll, wie sie in den Umfang der anhängenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer wässrigen Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung, umfassend: (A) Mischen eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs und mindestens eines chemischen Additivs, um ein Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch zu bilden, wobei das chemische Additiv eine Emulgatorzusammensetzung umfasst, die umfasst: (i) eine Kombination (i)(a) eines ersten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein erstes Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit Alkanolamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des ersten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, und (i)(b) eines zweiten Kohlenwasserstoffbrennstofflöslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein zweites Hydrocarbylsubstituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit mindestens einem Ethylenpolyamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des zweiten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, oder ein Gemisch von (i) und (ii) einer ionischen oder einer nichtionischen Verbindung mit einem Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichtswert von 1 bis 10, zusammen mit (iii) einem wasserlöslichen Salz, das von (i) und (ii) verschieden ist und der Formel k(G(NR3)y]y+ nXp– entspricht, worin G ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und einer Valenz von y ist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist, X^p– ein Anion mit einer Valenz von p ist und k, y, n und p unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von mindestens 1 sind, mit der Maßgabe, dass, wenn G H ist, y den Wert 1 aufweist, und wobei die Summe der positiven Ladung ky⁺ gleich zu der Summe der negativen Ladung nX^p– ist, und (B) Mischen des Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemischs mit Wasser unter Hochschermischbedingungen in einem Hochschermischer, um die wässrige Koh lenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden, wobei die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung eine diskontinuierliche wässrige Phase beinhaltet, wobei die diskontinuierliche wässrige Phase aus wässrigen Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Micron oder weniger besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Antigefriermittel zu dem Wasser gegeben wird und sodann das Kohlenwasserstoffbrennstoff-Additiv-Gemisch mit dem Wasser und dem Antigefriermittel während des Schritts (B) gemischt wird, um die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hochschermischer ein Rotor-Stator-Mischer ist, umfassend einen ersten Rotor-Stator, einen zweiten Rotor-Stator und einen dritten Rotor-Stator, die in Reihe angeordnet sind, wobei das Brennstoff-Additiv-Gemisch und das Wasser in dem ersten Rotor-Stator, sodann dem zweiten Rotor-Stator und sodann dem dritten Rotor-Stator gemischt werden, um die wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung zu bilden.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung, umfassend eine kontinuierliche Phase eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs, eine diskontinuierliche wässrige Phase, wobei die diskontinuierliche wässrige Phase aus wässrigen Tröpfchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,0 Micron oder weniger besteht, und eine emulgierende Menge einer Emulgatorzusammensetzung, umfassend: (i) eine Kombination (i)(a) eines ersten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, dass dadurch hergestellt wird, dass ein erstes Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit einem Alkanolamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, und (i)(b) eines zweiten Kohlenwasserstoffbrennstoff-löslichen Produkts, das dadurch hergestellt wird, dass ein zweites Hydrocarbyl-substituiertes Carbonsäure-Acylierungsmittel mit mindestens einem Etrylenpolyamin umgesetzt wird, wobei der Hydrocarbylsubstituent des zweiten Acylierungsmittels 50 bis 500 Kohlenstoffatome aufweist, oder ein Gemisch von (i) und (ii) einer ionischen oder einer nichtionischen Verbindung mit einem Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichtswert von 1 bis 10, zusammen mit (iii) einem wasserlöslichen Salz, das von (i) und (ii) verschieden ist und der Formel k(G(NR3)y)y+nXp– entspricht, worin G ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und einer Valenz von y ist, jede R-Gruppe unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist, X^p– ein Anion mit einer Valenz von p ist, und k, y, n und p unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von mindestens 1 sind, mit der Maßgabe, dass, wenn G H ist, y den Wert 1 aufweist, und wobei die Summe der positiven Ladung ky⁺ gleich zu der Summe der negativen Ladung nX^p– ist.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei der normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff ein Dieselbrennstoff ist.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Komponente (i) eine Kombination (i)(a) mindestens eines Reaktionsprodukts eines Acylierungsmittels mit einem Alkanolamin, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Dimethylethanolamin oder Diethylethanolamin, und (i)(b) mindestens eines Reaktionsprodukts eines Acylierungsmittels mit mindestens einem Ethylenpolyamin ist, das aus der Gruppe bestehend aus TEPA, PEHA oder TETA. ausgewählt ist.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Komponente (i) ein Produkt ist, das dadurch hergestellt wird, dass eine/ein Polyisobutylen-substituierte Bernsteinsäure oder -anhydrid mit einem Hydroxyamin umgesetzt wird, wobei die Polyisobutylengruppe ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 750 bis 3000 aufweist.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Komponente (i) aus (I) einer/einem ersten Polyisobuten-substituierten Bernsteinsäure oder -anhydrid, wobei der Polyisobutensubstituent der ersten Säure oder des ersten Anhydrids ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 2000 bis 2600 aufweist, (II) einer/einem zweiten Polyisobuten-substituierten Bersteinsäure oder -anhydrid, wobei der Polyisobutensubstituent der zweiten Säure oder des zweiten Anhydrids ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 700 bis 1300 aufweist, besteht, wobei die Polyisobuten-substituierten Bernsteinsäuren oder -anhydride (I) und (II) über (III) eine verbindende Gruppe, die von Ethylenglykol abstammt, zusammen verbunden sind, wobei die Polyisobuten-substituierten Bernsteinsäuren oder -anhydride (I) und (II) ein Salz mit Ammoniak oder einem Amin bilden.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Komponente (ii) ein Produkt ist, das dadurch hergestellt wird, dass ein Acylierungsmittel mit 12 bis 30 Kohlenstoffatomen mit Ammoniak oder einem Amin umgesetzt wird.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Komponente (iii) Ammoniumnitrat ist.
Wässrige Kohlenwasserstoffbrennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei das chemische Additiv ferner ein Cetanverbesserungsmittel, ein Antiklopfmittel, einen Bleifänger, ein aschefreies Dispergiermittel, ein Ablagerungsverhinderungsmittel oder -modifizierungsmittel, einen Farbstoff, einen Antioxidierungs-Rostinhibitor, einen Stabilisator, einen Metalldeaktivator, einen Demulgator, ein Schmiermittel des oberen Zylinders oder ein Antivereisungsmittel umfasst.
Verfahren zum Versorgen eines Verbrennungsmotors mit Brennstoff, umfassend ein Versorgen des Motors mit der Brennstoffzusammensetzung nach Anspruch 4.