Đang tải... (xem toàn văn)
1. Giới thiệu Mặc dù Ethanol và Metanol đều hoà tan hoàn toàn trong nước; tuy nhiên độ hoà tan của chúng trong nhiều loại xăng phụ thuộc vào cả nhiệt độ và thành phần của xăng. Quá trình pha trộn Metanol hoặc Ethanol vào xăng dẫn đến tạo nên hỗn hợp có các tính chất khác với xăng chưa pha trộn. Bên cạnh đó, nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn xăng thông thường. Khi pha cồn với lượng nhỏ hơn 20% thì sẽ góp phần: Tăng trị số Octan và áp suất hơi trong xăng pha trộn; Giảm nhiệt độ các thành phần cất của hỗn hợp xăng pha cồn; Giãn nở một lượng thể tích nhỏ. Xăng pha cồn rất nhạy với sự có mặt một lượng nhỏ nước, thậm chí tại nhiệt độ phòng. Vì Ethanol và Metanol phân cực mạnh nên các phân tử này hoạt động mạnh và kết hợp với các phân tử nước nhờ liên kết hydro. Kết quả của quá trình này là xăng pha cồn bị tách ra làm 2 pha. Pha bên trên chủ yếu là các hydrocacbon parafin; pha bên dưới gồm chủ yếu là rượu, nước và một lượng nhỏ các hydrocacbon thơm. 10 Xăng được pha trộn với phụ gia oxi hoá đều liên quan tới quá trình tách pha nước. Nước trong xăng có thể tác động khác nhau đến động cơ phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt nó trong dung dịch hay trong pha tách, và còn phụ thuộc vào từng loại động cơ. Quá trình tách nước trong nhiên liệu có thể gây tổn hại đến động cơ; một lượng nhỏ nước trong xăng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ phận của động cơ. Nếu có sự phòng ngừa nước lọt vào hệ thống nhiên liệu thì quá trình tách nước sẽ bị hạn chế rất nhiều. Quá trình tách pha của nhiên liệu pha cồn có thể dẫn đến sự đóng băng trong đường ống dẫn nhiên liệu và làm giảm độ linh động của nhiên liệu. Đối với các động cơ nhạy với nhiên liệu (FFVs) thì sự có mặt nước trong hỗn hợp nhiên liệu có thể làm cho bộ phận điều khiển (sensor) hoạt động không bình thường, ảnh hưởng xấu đến độ linh động của nhiên liệu. 33 Vì vậy việc nghiên cứu quá trình tách pha và các biện pháp chống tách pha của nhiên liệu pha cồn là rất quan trọng trong công nghệ chế tạo nhiên liệu sạch.
Nghiên cứu trình tách pha xăng pha cồn biện pháp khắc phục Giới thiệu Mặc dù Ethanol Metanol hoà tan hoàn toàn nước; nhiên độ hoà tan chúng nhiều loại xăng phụ thuộc vào nhiệt độ thành phần xăng Quá trình pha trộn Metanol Ethanol vào xăng dẫn đến tạo nên hỗn hợp có tính chất khác với xăng chưa pha trộn Bên cạnh đó, nhiệt cháy xăng pha cồn xăng thông thường Khi pha cồn với lượng nhỏ 20% góp phần: Tăng trị số Octan áp suất xăng pha trộn; Giảm nhiệt độ thành phần cất hỗn hợp xăng pha cồn; Giãn nở lượng thể tích nhỏ Xăng pha cồn nhạy với có mặt lượng nhỏ nước, chí nhiệt độ phòng Vì Ethanol Metanol phân cực mạnh nên phân tử hoạt động mạnh kết hợp với phân tử nước nhờ liên kết hydro Kết trình xăng pha cồn bị tách làm pha Pha bên chủ yếu hydrocacbon parafin; pha bên gồm chủ yếu rượu, nước lượng nhỏ hydrocacbon thơm [10] Xăng pha trộn với phụ gia oxi hoá liên quan tới trình tách pha nước Nước xăng tác động khác đến động phụ thuộc vào có mặt hay mặt dung dịch hay pha tách, phụ thuộc vào loại động Quá trình tách nước nhiên liệu gây tổn hại đến động cơ; lượng nhỏ nước xăng gây ảnh hưởng tiêu cực đến phận động Nếu có phòng ngừa nước lọt vào hệ thống nhiên liệu trình tách nước bị hạn chế nhiều Quá trình tách pha nhiên liệu pha cồn dẫn đến đóng băng đường ống dẫn nhiên liệu làm giảm độ linh động nhiên liệu Đối với động nhạy với nhiên liệu (FFVs) có mặt nước hỗn hợp nhiên liệu làm cho phận điều khiển (sensor) hoạt động không bình thường, ảnh hưởng xấu đến độ linh động nhiên liệu [33] Vì việc nghiên cứu trình tách pha biện pháp chống tách pha nhiên liệu pha cồn quan trọng công nghệ chế tạo nhiên liệu Ảnh hưởng trình pha cồn vào xăng 2.1 Tăng trị số Octan Các Alcol ete hầu hết có trị số Octan cao xăng (bảng 12) Bảng 12 Trị số Octan xăng phụ gia Oxygen Hợp chất Trị số Octan, (R + M)/2 Xăng 87 Ethanol 98 Metanol 100 MTBE 110 ETBE 112 Khi Alcol ete trộn vào xăng góp phần tăng ON xăng pha trộn Do đó, xăng pha cồn có ON cao xăng thông thường Metanol có ON 108; Ethanol 106 Khi sử dụng 10% Ethanol làm tăng ON xăng từ 2,5 ÷ đơn vị Ảnh hưởng Ethanol đến loại xăng: chưng cất trực tiếp, Cracking nhiệt, Cracking xúc tác xăng Polyme Trị số Octah, ON hoá (xăng trùng hợp) thể hình [18] Phương pháp động Phương pháp nghiên cứu 100 90 80 70 100 90 Xăng trùng hợp Cracking xúc tác 80 70 Xăng Cracking nhiệt Cracking xúc tác Xăng Cracking nhiệt 60 60 50 40 Xăng trùng hợp Xăng chưng cất trực tiếp 10 15 20 25 50 40 Xăng chưng cất trực tiếp 10 15 20 25 Hình Độ tăng trịPhần số Octan vài loại xăng trộn Ethanol trămcủa Ethanol nhiênpha liệu, %TT 2.2 Giảm nhiệt cháy Vì nhiệt cháy Ethanol 76.000 Btu/gallon khoảng 2/3 so với xăng (109.000 ÷ 119.000 Btu/gallon) nên pha cồn vào xăng nhiệt cháy xăng pha cồn so với xăng thông thường (bảng 13) [28] Bảng 13 Nhiệt cháy xăng pha Ethanol Phần trăm thể tích Nhiệt cháy, Tỉ lệ nhiệt cháy so với xăng thông thường Ethanol (99,5%) Xăng (100%) 100 109.000 1,000 10 90 105.662 0,969 20 80 102.324 0,938 30 70 98.986 0,908 100 76.000 0,697 Chú thích: gallon = 4,546 l (Anh) = 3,785 l (Mỹ) Btu = 2,930.10-4 KWh = 0,293 Wh = 1,055 KJ =1,055.10-3J Do giảm nhiệt cháy đơn vị diện tích nên đòi hỏi cần gia tăng tốc độ nạp liệu để đảm bảo hoạt động động bình thường Khi đó, nhiệt cháy nhiên liệu đơn vị diện tích phụ thuộc vào tỉ lệ đương lượng không khí nhiên liệu Do đó, xăng pha cồn với hàm lượng cao thay cho xăng thông thường động xe mô tô cần phải trì tỉ lệ không khí phù hợp cho trình cháy 2.3 Quá trình tách pha xăng pha phụ gia Oxygen Các nhiên liệu pha hợp chất chứa ôxy thường chứa Ethanol MTBE; có hợp chất khác ETBE, TAME, TBA Về mặt hóa lý, Ethanol MTBE có khác Ví dụ: Ethanol hoà tan dễ dàng nước tan vô tận vào nước Trong đó, MTBE tan với nước (cỡ 4,3% thể tích- nhiệt độ phòng) Do đó, xăng pha trộn Ethanol hoà tan nước nhiều xăng thông thường; xăng pha MTBE hoà tan nước xăng thông thường Vì Ethanol hoà tan nhanh chóng vào nước nên Ethanol sử dụng làm tăng ON cho xăng; nước hoà tan xăng pha trộn nhiều xăng thông thường Khi hàm lượng nước có xăng lớn mức hoà tan cực đại nước tách khỏi hỗn hợp Lượng nước yêu cầu (so với % thể tích tổng thể) cho trình tách pha xảy phụ thuộc vào nhiệt độ (được thể hình 6) Ví dụ: nhiệt độ 600F (xấp xỉ 160C), nước bị hấp thụ xăng pha trộn chứa 90% xăng 10% Ethanol 0,6 %TT Lượng nước, hàm lượng đạt tới 0,5% thể tích trước bị tách pha 0,5 0,4 0,3 Hình Hàm lượng nước cho phép xăng pha 10% Ethanol 0,2 -40 -20 20 40 60 80 MTBE có lực với nước so với Ethanol nên trình tách Nhiệt độ, F pha xăng pha MTBE dễ xảy với t độ,một F lượng nhỏ nước Nước vào động hai đường: Nước có sẵn nhiên liệu trình tách pha từ xăng Nước dung dịch đóng vai trò chất trơ trình cháy thải hệ thống xả Sự tác động nước dung dịch đến xăng động làm giảm tính kinh tế nhiên liệu Do đó, lượng nước lớn ngăn cản hoạt động động cơ, gây tổn hại cho động Đối với xăng pha cồn trình tách nước gây tổn hại cho động xăng thông thường xăng pha MTBE Xăng pha trộn với hợp chất chứa ôxy chứa nước nhiều xăng thông thường; chí đủ lượng nước ngưng tụ từ không khí để dẫn đến trình tách pha xăng – nước Nước vào xăng đường khác từ trình hấp thụ nước từ không khí Nước trạng thái hoà tan xăng Không khí có độ ẩm cao dễ hoà tan vào xăng Ví dụ: nhiệt độ không đổi 100 0F độ ẩm 100% phải 200 ngày để bão hoà gallon xăng (giả sử nước lấy từ nước không khí) Quá trình hấp thụ nước từ không khí thấp nhiệt độ độ ẩm thấp: nhiệt độ 70 0F độ ẩm 70% phải năm để bão Hàm lượng nước cho phép, %TT hoà gallon xăng thông thường [10] Nghiên cứu trình tách pha xăng pha cồn Sự hoà tan Metanol Ethanol xăng với có mặt lượng nhỏ nước có giới hạn Thậm chí nhiệt độ phòng, cho phép tối đa ÷ 2% nước hỗn hợp chứa từ 25 ÷ 40% cồn trước xảy trình tách pha; đặc biệt nhiệt độ hàm lượng thấp đòi hỏi 2,6 Ethanol 40% lượng nước (xem hình 3) [16] 2,4 35% 2,2 2,0 30% 1,8 1,6 25% 1,4 1,2 20% 1,0 0,8 15% 0,6 0,4 10% 5% 0,2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nhiệt độ, 0F Hình Hàm lượng nước cho phép xăng pha Ethanol Các phương pháp khắc phục trình tách pha Có hai phương pháp để khắc phục trình tách pha: 4.1 Phương pháp bảo quản Trong loại xăng cần đề phòng trình tách pha Xăng không nên tồn trữ thời gian dài; đặc biệt với thay đổi mùa năm kết hợp với thay đổi khoảng nhiệt độ rộng Nếu bồn chứa xăng thời gian dài bồn chứa phải đầy bể để ngăn ngừa ngưng tụ nước có không khí; bên cạnh cần phải thêm chất ổn định hoá học, chất ức chế bay 4.2 Phương pháp sử dụng phụ gia Bên cạnh phương pháp bảo quản trên, việc sử dụng loại phụ gia hoá học để chống lại tách pha nghiên cứu rộng rãi áp dụng thành công Các loại phụ gia phổ biến rượu đồng dung môi (C3 ÷ C12), chất hoạt động bề mặt không điện ly chất hoạt động bề mặt axit béo dạng anion Trong số loại rượu đồng dung môi, rượu mạch thẳng có hiệu rượu mạch nhánh khả chúng tăng theo chiều dài mạch cacbon Nhiều nghiên cứu đưa hợp chất ipropanol, i-butanol, n-decanol, axit palmitic, fusel oil (FO) coi chất ức chế trình tách pha có hiệu [33] Theo báo cáo Trường Đại Học Công Nghệ Istanbul (Thỗ Nhĩ Kỳ) tháng 4/1996 FO có hiệu cao việc làm giảm tượng tách pha làm tăng lượng nước hoà tan hỗn hợp Ethanol/xăng không chì Đối với nước có nguồn nguyên liệu mía đường dồi Braxin, Ấn Độ, thường sử dụng FO làm tác nhân chống tách pha (FO sản phẩm phụ trình lên men đường sản xuất Ethanol) [14,29] Bên cạnh cần đưa thêm chất ức chế ăn mòn động để ngăn chặn tác động gây ăn mòn nước Bảng 14 Các chất ức chế ăn mòn pha vào hỗn hợp Ethanol/xăng Loại chất ức chế Chi phí xử lý (bảng Anh/1000 thùng Ethanol) Octel DCI – 11 20 Petrolite Tolad 3222 20 Petrolite Tolad 3224 13 Nalco 5403 30 ENDCOR FE-9730 (formerly Betz ACN13) 20 MidContinental MCC 501 1E 20 MidContinental MCC 501 1EW 27 Chú thích: thùng ≈ 150 l ... cho phép xăng pha Ethanol Các phương pháp khắc phục trình tách pha Có hai phương pháp để khắc phục trình tách pha: 4.1 Phương pháp bảo quản Trong loại xăng cần đề phòng trình tách pha Xăng không... đó, xăng pha cồn với hàm lượng cao thay cho xăng thông thường động xe mô tô cần phải trì tỉ lệ không khí phù hợp cho trình cháy 2.3 Quá trình tách pha xăng pha phụ gia Oxygen Các nhiên liệu pha. .. động nhiên liệu [33] Vì việc nghiên cứu trình tách pha biện pháp chống tách pha nhiên liệu pha cồn quan trọng công nghệ chế tạo nhiên liệu Ảnh hưởng trình pha cồn vào xăng 2.1 Tăng trị số Octan