Desulfurization of fuels using ionic liquids

Abstract

Actualmente, é crucial a redução do conteúdo de compostos sulfurados nos combustíveis, uma vez que os organismos governamentais estão a implementar legislações cada vez mais rígidas para diminuir impactos ambientais negativos. Por esta razão, torna-se fundamental desenvolver processos de dessulfuração apropriados e eficientes, no sentido de se corresponder às regulamentações actuais e futuras. O processo mais utilizado para a remoção de compostos sulfurados (Scompostos) tem sido a hidrodessulfuração, mas esta é ineficiente e dispendiosa, pelo que se torna importante desenvolver novas alternativas. Dentro das várias propostas sugeridas, a extracção líquido-líquido utilizando líquidos iónicos (LIs) provou ser uma das mais promissoras. Para uma aplicação bem sucedida dos LIs como solventes nos procedimentos de dessulfuração, e para a concepção de processos e equipamento, é crucial que os dados de equilíbrio líquido-líquido (ELL) de sistemas envolvendo LIs, aromáticos e hidrocarbonetos (HCs) estejam disponíveis, para que se possa identificar as melhores condições e os LIs mais convenientes. Estes devem ter algumas características definidas, tais como imiscibilidade com HCs, assim como uma boa capacidade e selectividade para os compostos aromáticos sulfurados. Embora os dados de ELL em sistemas binários e ternários envolvendo LIs, Scompostos e HCs, assim como a informação sobre os efeitos da natureza destes componentes estejam disponíveis na literatura, os dados de solubilidade continuam a ser muito escassos e o número de LIs considerados é reduzido. Tendo em conta as necessidades actuais, torna-se relevante desenvolver estudos adicionais. O objectivo deste trabalho é identificar LIs com potencial para serem aplicados na dessulfuração de combustíveis. Neste sentido, diagramas de fase de sistemas binários envolvendo LIs baseados no catião imidazólio e tiofeno (considerado como modelo de S-composto) foram determinados experimentalmente e previstos com o modelo COSMO-RS (modelo para solventes reais). Os diagramas de fase para sistemas ternários compreendendo LIs, S-compostos e hidrocarbonetos (representativo dos componentes do combustível) foram também calculados utilizando este modelo. Os dados de ELL permitiram avaliar o efeito das características estruturais dos LIs nas solubilidades mútuas e concluir sobre os factores que influenciam a selectividade dos LIs e a sua capacidade de extracção dos S-compostos aromáticos a partir das suas misturas com HC nos processos de dessulfuração. Através da comparação dos diagramas de fase de LLE utilizando COSMO-RS com dados experimentais disponíveis, foi possível testar a capacidade do modelo para descrever e prever o comportamento de fase para este tipo de sistemas.

Nowadays, the reduction of the sulfur content in fuels is mandatory since governments are implementing increasingly rigid legislations to decrease negative environmental impacts. For this reason, it is crucial to develop appropriate and efficient desulfurization processes in order to meet the current and upcoming regulations. The process most used for the removal of sulphur compounds (S-compounds) has been hydrodesulfurization, but it is inefficient and expensive, being thus important to develop new alternatives. Among the several approaches proposed, the liquid-liquid extraction using ionic liquids (ILs) has proved to be one of the most promising. For the successful application of ILs as solvents in desulfurization procedures and for the correct design of processes and equipment, it is vital that data on the liquid-liquid equilibrium (LLE) of systems involving ILs, aromatics and hydrocarbons (HCs) are available, in order to identify the best conditions and more convenient ILs to be used. These should have some defined characteristics like immiscibility with the HCs and a good extraction capability and selectivity for the sulphur aromatic compounds. Although LLE data on binary and ternary systems involving ILs, S-compounds and HCs, as well as information on the effects of the nature of these components, are available in literature, the solubility data are still quite scarce and the number of ILs considered is reduced. Regarding the current demands, it is therefore important to develop further studies. The objective of the present work is to identify ILs with potential to be applied in the desulfurization of fuel oils. For this purpose, phase diagrams of binary systems comprising imidazolium-based ILs and thiophene (taken as model Scompound) were experimentally determined and predicted with the COSMORS model (conductor-like screening model for real solvents). The phase diagrams of ternary systems containing ILs, S-compounds and HCs (representative of the components of the fuel) were also calculated using this model. The LLE data enabled to evaluate the effect of the structural characteristics of the ILs, S-compounds and HCs on the mutual solubilities between these compounds and conclude about the factors that influence the selectivity of the ILs and their extraction capability of aromatic S-compounds from their mixtures with HC in desulfurization processes. By comparing the LLE phase diagrams calculated using COSMO-RS with available experimental data, it was possible to test the ability of this model to describe and predict the phase behaviour of this type of systems.