Brevet FR2799201A1 — publié le 20010406

L'invention concerne un procédé de séparation de composants sensiblement exempts de soufre d'un carburant pour moteurs à bord d'un véhicule automobile. La désulfuration de carburant pour moteurs s'effectue habituellement par des procédés chimiques industriels dans des raffineries lors de la production du carburant. Des procédés connus dans ce but sont l'extraction, l'adsorption, la distillation ou des processus microbiologiques. Les carburants pour moteurs courants dans le commerce en Europe présentent actuellement une teneur résiduelle en s;,uffre d'environ 200 ppm. Cette teneur est problématique compte tenu de la compatibilité pour le soufre de systèmes modernes de posttraitement de gaz d'échappement, lesquels contiennent des adsorbeurs et des catalyseurs. Pour en tenir compte, il faut s'efforcer d'obtenir des teneurs résiduelles en soufre qui soient inférieures à 10 ppm. Le de l'invention est de créer un procédé de séparation de composants sensiblement exempts de soufre d'un carburant pour moteurs, qui convienne pour une application dans des systèmes mobiles. En particulier, sa mise en oeuvre doit seulement demander un faible encombrement et un faible poids. Conformément à l'invention, on obtient ce ré sultat par un procédé qui est caractérisé en ce qu'on effectue la séparation par évaporation par le vide. Des modes de mise en oeuvre avantageux de l'invention ressortent de ce qui va suivre. Le procédé selon l'invention exploite le fait que les composants de carburant contenant du soufre présentent généralement un plus haut point d'ébullition que les composants de carburant sensiblement exempts de soufre. Conformément à l'invention, la séparation à bord du véhicule des composants sensiblement exempts de soufre et à point d'ébullition s'effectue donc par évaporation par le vide. Dans ce but, on exerce, au moyen d'une pompe, une aspiration l'intérieur du réservoir à carburant, dans lequel se trouve le carburant initial, afin d'y créer une dépression. Les composants de carburant à bas point d'ébullition, sensiblement exempts de soufre, s'évaporent ainsi et sont évacués par la pompe hors du réservoir. Les composants exempts de soufre peuvent ensuite être condensés sous pression accrue (par rapport à la pression ambiante ou atmosphérique). La totalité des composants de carburant séparés du carburant initial est ci-après appelée aussi "fraction de carburant pauvre en soufre". La totalité des composants de carburant restant dans le carburant initial, est par conséquent appelée aussi "fraction de carburant riche en soufre". L'utilisation de la fraction: de carburant pauvre en soufre permet de prolonger considérablement la durée de vie de systèmes modernes de posttraitement de gaz d'échappement. L'appareillage nécessaire à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est réduit. Un avantage essentiel du procédé selon l'invention est le fait que l'évaporation par le vide peut se dérouler à la température ambiante. Des dispositifs de chauffage supplémentaires, tels que des structures d'évaporation pouvant être chauffées, avec des éléments chauffants par résistance, ne sont donc pas nécessaires. Il s'ensuit que l'encombrement et le poids de l'appareillage peuvent être maintenus faibles. Le procédé selon l'invention convient donc très bien pour être mis en oeuvre dans tous les systèmes mobiles tels que des voitures de tourisme ou utilitaires ou dans des véhicules sur rails. Un autre avantage du procédé selon l'invention est que la fraction de carburant pauvre en soufre est immédiatement disponible à bord au démarrage du moteur. On peut donc se dispenser d'un réservoir supplémentaire pour carburant pauvre en soufre prévu spécialement pour la phase de départ à froid. Le procédé selon l'invention est applicable à tous les carburants pour moteurs, en particulier à ceux pour moteurs allumage par étincelle (moteurs à cycle Otto) ou pour moteurs diesel, au kérosène ou au mé thanol. On peut utiliser une pompe de transport de gaz, en particulier une pompe à rlembrane, pour l'évaporation par le vide. La condensation sous pression accrue (par rapport à la pression ambiante ou atmosphérique), peut alors s'effectuer avantageusement à la sortie de la pompe dans un récipient à pression raccordé à sortie de la pompe, de sorte que la condensation par pression ne demande pas de dépense supplémentaire d'appareillage. Comme déjà mentionné, l'évaporation par le vide peut s'effectuer à la température ambiante. Cepen dant, selon un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, on peut également produire l'évaporation à température accrue et utiliser à cet effet des sources de chaleur de toute manière présentes dans le véhicule automobile pour chauffer le carburant à fractionner. Dans ce but, on peut se servir en particulier de l'huile moteur (dont la température est généralement supérieure à 100 C) ou du liquide de refroidissement (à environ 80 C) pour le refroidissement du moteur. En pareil cas, pour échauffer le carburant, on le met en contact thermique avec l'huile moteur ou le liquide de refroidissement du moteur du véhicule automobile. La condensation des composants séparés, sensiblement exempts de soufre, peut s'effectuer également à la température ambiante. Il est cependant possible aussi d'effectuer la condensation à des températures inférieures à la température ambiante. La fraction pauvre en soufre séparée par l'évaporation par le vide peut, soit être utilisée directement pour la combustion dans le moteur (sous forme gazeuse ou liquide), soit être recueillie et stockée dans un réservoir. La fraction pauvre en soufre convient en particulier aussi pour être ajoutée dans 'alimentation du moteur pendant la phase de départ G froid ou dans le régime à mélange pauvre d'un moteur à allumage par étincelle (moteur Otto). Dans le cas d'un moteur diesel, l'addition de carburant diesel pauvre en soufre permet aussi de dimi nuer l'émission de particules dans le gaz d'échappement. Une autre application de la fraction pauvre en soufre obtenue par le procédé selon 1 invention est son utilisation dans la désulfuration d'un catalyseur dans le système de posttraitement de gaz d'échappement un moteur. Dans un tel système de posttraitement, du soufre s'accumule de temps en temps sur la surface du catalyseur, et on l'élimine par régénération (désorption). Cette régénération peut s'effectuer seulement avec du gaz d'échappement pauvre en soufre. A côté de son utilisation comme carburant pour moteurs, la fraction de carburant pauvre en soufre est applicable aussi comme réducteur à bas point d'ébullition pour catalyseurs à dénitruration en gaz échappement pauvre. L'évaporation par le vide, pour séparer la fraction pauvre en soufre, peut s'effectuer tant à partir du réservoir à carburant du véhicule qu'à partir d'un récipient intermédiaire supplémentaire. La fraction riche en soufre et à plus haut point d'ébullition restant dans le récipic,:it intermédiaire après la séparation des composants sensiblement exempts soufre, à bas point d'ébullition, est utilisable dans ce cas lors de phases de fonctionnement particulières du moteur. Une phase de fonctionnement un moteur à essence convenant pour l'utilisation de la fraction riche en soufre est le fonctionnement sous conditions st#chiométriques ( #- = 1) ou sous conditions à mélange riche (régime à pleine charge, @, En raison de l'indice d'octane plus élevé de 1a fraction riche en soufre et de la résistance plus élevée à la détonation qui y est liée, le moteur à allumage par étincelle peut être conçu avec un plus haut taux de compression. Or, le fonctionnement du moteur à plus haut taux de compression conduit à une diminution de la consommation de carburant. En raison de l'évacuation permanente par aspiration de la phase gazeuse hors du réservoir à carburant pendant la mise en #uvre de l'évaporation le vide, les pertes par évaporation sont évitées dans une large mesure. Les émissions d'hydrocarbures à partir du réservoir du véhicule sont ainsi abaissées et rendement du véhicule est accru. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de mise en #uvre limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique se rapportant au déroulement du procédé selon l'invention; et - la figure 2 est un graphique illustrant 'effet produit par la teneur en soufre du carburant sur la conversion des NOk d'un système de post traitement de gaz d'échappement. Le déroulement du procédé selon l'invention ressort plus clairement du schéma de la figure 1. Dans le réservoir carburant KV, contenant le carburant liquide, s'effectue, sous l'effet de la dépression (Pasp) créée par la pompe de transport de gaz PU, l'évaporation des composants à bas point d'ébullition, sensiblement exempts de soufre. Ces composants sont évacués par aspiration du réservoir à carburant KV au moyen de la pompe PU. La sortie de celle-ci est raccordée à un récipient à pression DG, dans lequel s'établit, en raison du refoulement de la pompe, une surpression (Psur). Sous cette surpression, les compo sants séparés, sensiblement exempts de soufre, se condensent dans le récipient à pression DG et sont ensuite utilisables immédiatement. Dans le réservoir à carburant KV, se produit un enrichissement des composants de carburant à plus haut point d'ébullition, contenant du soufre. Il est possible et avantageux d'effectuer à la fois l'évaporation et la condensation consécutive par pression sur le côté refoulement de la pompe à la température ambiante, de sorte que le procédé selon l'invention peut se dispenser de dispositions supplémentaires pour le chauffage ou le re froidissement. Suivant le type de pompe, on peut ajuster, par la conception de la pompe (pressions côté aspiration et côté refoulement) la teneur en soufre désirée de la fraction à obtenir, ainsi que, par la capacité de pompage, le temps de fractionnement nécessaire. Les pompes à vide à membrane, fonctionnant sans entretien (sans huile), qui ont une longue durée de vie et sont insensibles à l'égard des substances se condensant à l'intérieur de la pompe, s'avèrent convenir particulièrement à cet effet. Le besoin en puissance électrique d'une telle pompe à membrane est également très faible. Des composés très bas point d'ébullition, comme par exemple le butane, qui peuvent seulement être condensés lors de la distillation par un très fort re froidissement ( Un fractionnement de carburant pour moteurs à allumage par étincelle (moteurs Otto) a été effectué d'après le procédé décrit en référence à la figure 1. A partir de 1000 ml du carburant utilisé, on a obtenu 350 ml de fraction à bas point d'ébullition, pauvre en soufre, et 650 ml de fraction à plus haut point d'ébullition, riche en soufre. La pression était de 100 à 300 mbar côté aspiration et de 1 à 2 bar côté refoulement. Sur le côté refoulement de la pompe, les composants à bas point d'ébullition, sensiblement exempts de soufre, sont fortement enrichis, tandis que des composants de carburant à plus haut point d'ébullition, contenant du soufre (des aromates notamment) ne sont pratiquement plus contenus. Le carburant resté dans le réservoir présente un enrichissement des composants de carburant à plus haut point d'ébullition, contenant du soufre. Les différentes teneurs en soufre étaient comme suit: teneur en soufre du carburant initial (ROZ95): 128 ppm teneur en soufre de la fraction à bas point d'ébullition, pauvre en soufre: 14 ppm teneur en soufre de la fraction à plus haut point d'ébullition, riche en soufre: 177 ppm La figure 2 montre l'effet produit par la te neur en soufre du carburant sur la conversion des NOX d'un système de posttraitement de gaz d'échappement. La durée de fonctionnement (en heures) est indiquée en abscisse et la conversion des NOX (en ) est indiquée en ordonnée. Deux séries de mesures ont été effectuées pour teneurs en soufre de 31 ppm et 130 ppm avec le même type de catalyseur. Les essais ont été effectués avec un moteur à allumage par étincelle (moteur Otto) et à injection directe en régime à mélange pauvre mixte (30 secondes de régime à mélange pauvre avec k = 1,5 et 2 secondes de régime à mélange riche avec ?, = 0,75). Ainsi qu'il ressort d'une comparaison des séries de mesures, la durée de vie du catalyseur diminue consi dérablement lorsque la teneur en soufre est plus élevée REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation de composants sensiblement exempts de soufre d'un carburant pour moteurs à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'on effectue la séparation par évaporation par vide. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté risé en ce qu'on condense sous pression accrue (Psur composants séparés, sensiblement exempts de soufre. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, - ractérisé en ce qu'on utilise une pompe de transport (PU), en particulier une pompe à membrane, pour l'evaporation par le vide. 4. Procédé selon la revendication 3, caracte- risé en ce qu'on produit la condensation des composants sensiblement exempts de soufre à la sortie de la pompe de transport de gaz (PU). 5. Procédé selon une des revendications precédentes, caractérisé en ce que le carburant est carburant pour moteurs à allumage par étincelle (moteurs Otto) ou pour moteurs diesel, du kérosène ou méthanol. 6. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue évaporation par le vide et/ou la condensation à la température ambiante. 7. Procédé selon une des revendications 1 à caractérisé en ce qu'on effectue l'évaporation le vide à température accrue. 8. Procédé selon la revendication 7, caracté risé en ce que, pour échauffer le carburant, on le en contact thermique avec l'huile moteur ou le liquide de refroidissement du moteur du véhicule automobile. 9. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on util' directement les composants de carburant séparés sensiblement exempts de soufre, ou on les recueille dans un réservoir (DG). 10. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute les composants de carburant sensiblement exempts de soufre à l'alimentation du moteur sous forme gazeuse ou liquide. 11. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute les composants de carburant à bas point d'ébullition, sensiblement exempts de soufre, à l'alimentation moteur dans la phase de départ à froid. 12. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute composants de carburant sensiblement exempts de soufre à l'alimentation du moteur dans le régime à mélange pauvre du moteur ou lors de la désulfuration du systeme de posttraitement de gaz d'échappement du moteur. 13. Procédé selon une des revendications pré- cédcentes, caractérisé en ce qu'on utilise les composants de carburant sensiblement exempts de soufre comme réducteur pour des catalyseurs à dénitruration d'échappement pauvre. 14. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue 'évaporation par le vide dans un récipient intermédiaire prévu en plus du réservoir à carburant (KV) dans le véhicule automobile. 15. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute composants de carburant non évaporés, contenant du soufre, à l'alimentation du moteur dans des phases de fonctionnement à régime stoechiométrique ou en régime de pleine charge.