Chương 3. Các nhiên liệu từ dầu mỏ, khí
thiên nhiên
Hoa Hữu Thu
Nhiên liệu dầu khí
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007.
Tr 35 – 63.
Từ khoá: Các nhiên liệu từ dầu mỏ, khí thiên nhiên.
Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích
học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các
mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả.
Mục lục
Chương 3 CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN NHIÊN.........................2
3.1
Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút) ............................................................2
3.1.1
Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt ..................................................................2
3.1.2
Phun dầu và lò đốt bằng dầu .....................................................................3
3.1.3
Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO) ..................................................4
3.2
Xăng động cơ...................................................................................................4
3.2.1
Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit) ..............................5
3.2.2
Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô......................................6
3.2.3
Xăng crackinh và xăng refominh ..............................................................7
3.3
Nhiên liệu điezen (DO) ..................................................................................18
3.4
Nhiên liệu khí ................................................................................................23
2
Chương 3
CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN
NHIÊN
3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút)
Như trên đã trình bày, dầu madút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin
và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Các dầu FO có điểm sôi cao. Trong kĩ thuật
đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và FO nặng. Vì thế, các đặc trưng hoá học của dầu
madút có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc trưng này ảnh hưởng tới việc
sử dụng chúng làm nhiên liệu và các kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu quả cao.
Một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu madút là độ nhớt được xác định ở những
nhiệt độ quy định, ví dụ ở 20°C và 50°C. Nói chung các từ “nặng” và “nhẹ” được sử dụng để mô
tả các nhiên liệu dầu madút có độ nhớt cao và thấp tương ứng. Những dầu cặn có độ nhớt cao (>
7000 giây) thông thường phải trải qua bước crackinh nhẹ để phá vỡ những phân tử nặng và do đó
làm giảm độ nhớt của dầu. Quá trình này cũng gây nên sự thất thoát dầu dưới dạng khí và quá
trình được gọi là visbreaking.
Tính chất quan trọng thứ hai của dầu madút là điểm chớp cháy. Điểm chớp cháy cực tiểu của
tất cả các dầu là 65,5°C (~ 150°F).
Tính chất quan trọng thứ 3 của dầu madút là hàm lượng nước. Bởi vì các dầu nặng có tỉ
trọng gần bằng tỉ trọng của nước nên phải giữ dầu không tiếp xúc với nước trong quá trình sản
xuất và bảo quản vì nếu lẫn nước rất khó tách ra khỏi dầu. Tính chất cuối cùng là các dầu không
được chứa cặn sa lắng bởi vì các cặn này sẽ tập trung dần dần ở đáy bể chứa.
Vì thế, yếu tố cơ bản trong việc sử dụng các dầu madút là khống chế sự cháy của chúng và
chọn lọc cấp dầu cho mục đích sử dụng thích hợp về mặt kĩ thuật như kích thước buồng đốt cháy,
bản chất của thiết bị, kiểu cách và kích thước thiết bị đốt, phương pháp phun nhiên liệu. Dĩ nhiên,
giá cả cũng là một yếu tố bởi vì việc sử dụng các dầu có độ nhớt cao cần cung cấp nhiệt cho các
ống đốt nóng trong các bể chứa, do đó các trạm tiêu thụ sẽ có giá thành cao.
3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt
Dầu cấp cho lò đốt trong công nghiệp cần phải khan nghĩa là loại bỏ hết các hạt nước phân
tán trong dầu và các hạt rắn trong đó. Nhưng hầu hết các thiết bị cung cấp không thể đáp ứng
được yêu cầu này. Khi dầu được cấp bằng cách rót từ các bể chứa thì thông thường phải sử dụng
một cặp bể. Ở đây, ta phải đốt nóng bằng hơi nước để tăng cường việc tách nước và tăng cường
độ chảy lỏng của dầu. Sở dĩ người ta phải dùng kỹ thuật đốt nóng vì: Ở nhiệt độ thường, việc tách
các hạt nước trong dầu rất chậm do sự khác nhau về khối lượng riêng giữa chúng rất nhỏ và với
độ nhớt cao của dầu thì các hạt lơ lửng này vẫn tồn tại không thể loại hết được. Khi đốt nóng dầu
có hai thay đổi rõ ràng xảy ra: (1) độ nhớt của dầu bị giảm đi rất nhanh và (2) dầu dãn nở nhiều
3
hơn nước và vì thế sự khác nhau về khối lượng riêng trở nên lớn. Những hệ số dãn nở tương đối
của dầu nặng và của nước tương ứng là 0,00070 /độ và 0,000476 /độ, vì thế cần đốt nóng để tách
được nước ra khỏi dầu.
Dầu có thể được đốt nóng sơ bộ đến trên điểm chớp cháy nhưng phải ở dưới áp suất cao và
cơ bản là phải đạt được độ mềm để dầu có thể chảy hay phun qua các van. Nhiệt độ của dầu phải
đồng đều và áp suất phải giữ không đổi.
Khi phun không khí hay dầu thì việc cấp dầu có thể thực hiện từ một bể chứa nhiên liệu hay
nhiều bể ở độ cao đủ để tạo thành dòng chảy cần thiết. Vì các dầu rất nhớt không thể phun một
cách có hiệu quả nên việc đốt nóng là cần thiết. Thông thường để đốt nóng người ta dùng một thiết
bị đốt nóng bằng hơi nước bố trí ngay trên đường cấp dầu.
Trong thực tế nhiệt độ cần thiết để bơm dầu là: 38 ÷ 120°C (100 ÷ 250°F) còn nhiệt độ cần
thiết để phun dầu vào lò đốt là: 65,5 ÷ 150°C (150 ÷ 300°F). Ví dụ, dầu có khả năng bơm được ở
nhiệt độ 38°C có độ nhớt khác nhau thì nhiệt độ bơm thay đổi như sau:
Độ nhớt, ở 38°C (st) Nhiệt độ bơm, °C
200
7,5
600
15,5
1500
27,0
Trong các thiết bị phun bằng áp suất, các thiết bị lọc được trang bị giống hệt nhau ở cả hai
phía hút và đẩy của máy bơm dầu. Lưới lọc trong thiết bị lọc của phía hút có kích thước mắt lỗ
lớn hơn so với lưới ở phía phun. Thông thường cỡ lưới phụ thuộc vào độ lỏng của dầu được sử
dụng. Do kĩ thuật phát triển, ngày nay người ta dùng các thiết bị lọc khác hiệu quả hơn việc dùng
lưới lọc như thiết bị lọc dòng chảy (streamline filter) hay thiết bị lọc “Autoclean”. Trong thiết bị
lọc Autoclean, dầu đi từ bên ngoài qua nhiều tấm thép mỏng đã được khoan lỗ với khoảng hở rất
nhỏ giữa các lỗ. Giữa các tấm thép có nhiều dao bằng thép mỏng được giữ cố định. Khi dầu đi
qua thiết bị này các cặn bẩn bị giữ lại và rơi vào bồn chứa, sau đó bị loại ra ngoài.
3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu
Để dầu cháy hoàn toàn thì dầu phải trộn thật đều với không khí. Về mặt lý thuyết, điều này
có thể thực hiện khá dễ dàng đối với hơi dầu, song rất khó thực hiện được đối với các dầu nặng.
Vì để hoá hơi dầu, phải tăng nhiệt độ, mà tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến phá vỡ phân tử dầu và tạo nên
cặn cốc trong thiết bị hoá hơi và thiết bị đốt cháy bằng kim loại. Tuy nhiên, vẫn có thể áp dụng
được đối với các dầu có nhiệt độ sôi thấp như dầu hoả, dầu trung gian. Người ta có thể thực hiện
được sự hoá hơi bằng cách cho một lượng không khí thích hợp vào thiết bị hoá hơi.
Với các dầu nặng hơn (như dầu FO nặng, nhẹ) có thể dùng các máy phun khác nhau để
chuyển dầu thành các hạt nhỏ với không khí đưa vào lò đốt. Để tăng diện tích tiếp xúc dầu/không
khí người ta dùng thiết bị phun cỡ cực đại từ 1 ÷ 1,5 nghìn lỗ trên một cm2. Ngoài ra lò đốt còn
có nhiệm vụ:
-
Nâng nhiên liệu từ một mức thấp hơn lên mức cao hơn.
4
-
Đưa vào một phần hay tất cả hỗn hợp nhiên liệu/không khí được trộn đều với một tốc
độ sao cho động lượng của nó sẽ kéo theo một lượng không khí phụ cần thiết để có
được độ dài ngọn lửa mong muốn.
-
Giữ tuyến lửa bền vững và ngọn lửa thích hợp với hình dạng của lò.
-
Hoàn chỉnh sự cháy của những giọt dầu nhỏ trước khi ngọn lửa bị làm lạnh tới khi khói
bốc lên.
Nếu lò cho một ngọn lửa nghiêng một góc hẹp, tốc độ cao thì không khí cháy bị hút vào
ngọn lửa do tác dụng của thiết bị phun.
3.1.3 Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO)
Đối với các dầu madút, yếu tố quan trọng hàng đầu là nhiệt trị cao, điểm chớp cháy cao,
không có vết nước và các hạt rắn. Ngoài những yếu tố này ra, cần phải lựa chọn dầu cho thích
hợp với những điều kiện đặc biệt để sử dụng và lưu trữ dầu. Nếu việc tàng trữ phải đốt nóng
không có khả năng thực hiện được thì nên chọn dầu có độ nhớt thấp. Nếu việc đốt nóng có khả
năng thực hiện được thì các dầu nặng hơn và rẻ hơn có thể sử dụng được, thêm vào đó kiểu lò
cũng có ý nghĩa trong việc chọn lựa.
Ví dụ, ở Anh những yêu cầu ở trên được chia thành các cấp độ khác nhau và các cấp độ cũng
có thể bị thay đổi. Với các dầu madút dùng cho động cơ đi biển của Anh như sau:
Cấp độ
Điểm chớp cháy (min), °C
Độ nhớt , Redwood I ở 380°C, mm2 / s(max)
Hàm lượng nước (max), %
Nhiệt trị, kcal / kg (min)
E
F
65
250
1
G
65
65
H
65
450 2500 7000
1
1,5
1,5
10120 9990 9990 9990
Trong các yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút thì yếu tố độ nhớt là quan trọng nhất, bởi vì
độ nhớt thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ. Nếu ở nhiệt độ thấp, độ nhớt lớn thì không thể điều
khiển được sự chảy của dầu.
Hàm lượng lưu huỳnh và tro không quan trọng lắm trong nhiều ứng dụng, song nếu dùng
làm nhiên liệu luyện kim thì hàm lượng lưu huỳnh và tro có thể ảnh hưởng tới vật liệu bị đốt
nóng, tức là các sản phẩm luyện kim.
Một yếu tố quan trọng cuối cùng đó là phải xem xét xem dầu madút đó là dầu chưng cất hay
dầu cặn, bởi vì dầu cặn có chứa một tỉ lệ cao asphalt mà dầu chưng cất không có. Những loại dầu
này được dùng trong các mục đích khác nhau để không ảnh hưởng tới vật liệu chịu đốt nóng.
3.2 Xăng động cơ
Trước khi nền công nghiệp ôtô phát triển, nhiên liệu thu được chỉ bằng cách chưng cất dầu
thô. Phân đoạn naphtha được chưng cất lại cho xăng có khoảng nhiệt độ sôi trong một vùng nhất
định. Đó là sản phẩm cuối để đưa vào sử dụng. Việc tinh luyện bằng cách rửa với axit và kiềm
5
nhằm mục đích loại bỏ những lượng nhỏ các olefin và cải thiện màu của xăng. Việc chưng cất
trực tiếp dầu thô là bước xử lí đầu tiên dầu thô và phần xăng động cơ được gọi là xăng trực tiếp
(Straight run spirit). Xăng này là phân đoạn tương đối không bị biến đổi của dầu thô nguyên thuỷ.
Vì nhu cầu của xăng ôtô, máy bay ngày càng tăng nên hiệu suất xăng, chất lượng xăng cần
phải ngày càng được cải thiện. Vì thế, công nghiệp lọc dầu đã đưa vào các quá trình crackinh các
phân đoạn dầu nặng, refominh phân đoạn naphtha nặng, polime hoá các olefin nhẹ, ankyl hóa
isobutan bằng các olefin... Bằng các phương pháp này sản lượng xăng động cơ thu được từ dầu
mỏ tăng lên, và chất lượng xăng cũng tăng. Vì những biến đổi hoá học kể trên nên tên gọi các
xăng thu được từ công nghiệp lọc hoá dầu khá phức tạp.
3.2.1 Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit)
Xăng tự nhiên hay xăng thu được từ khí giếng dầu. Khí giếng dầu chứa chủ yếu 5
hiđrocacbon parafin (từ C1 đến C5). Ngoài ra, còn có thêm một lượng nhỏ hiđrocacbon phân
nhánh và vòng có điểm sôi rất gần với các hiđrocacbon parafin ở trên (bảng 14).
Bảng 14.
Những tính chất của các hiđrocabon trong khí giếng dầu
Nhiệt độ sôi
(°C)
Nhiệt độ tới hạn
(°C)
Áp suất tới hạn
(at)
− 164
− 95,5
50
Etan
− 84
34
50
Propan
− 44
97
44
n-Butan
+ 0,3
-
-
iso-Butan
− 17
-
-
n-Pentan
36
197
33
iso-Pentan
30
194
33
n-hexan
69
250
30
Metan
Về ý nghĩa thực tế và kinh tế: hai hiđrocacbon đầu tiên không thể ngưng tụ còn các
hiđrocacbon khác cao hơn đều có thể thu hồi được. Thông thường chỉ những hiđrocacbon cao
hơn propan tạo nên xăng tự nhiên.
Có ba phương pháp được sử dụng để thu hồi hiđrocacbon ngưng tụ:
1 - Nén theo các giai đoạn và làm lạnh.
2 - Hấp thụ vào trong dầu sau đó giải hấp thụ lấy hiđrocacbon.
3 - Hấp phụ trên than hoạt động.
Các quá trình (1) và (2) là phổ biến nhất. Quá trình thu hồi được điều khiển để đảm bảo thu
hồi hoàn toàn các pentan và tất cả các hiđrocacbon cao hơn. Trong quá trình đó, một tỉ lệ đáng kể
butan đã hoà tan vào trong đó và như vậy sản phẩm có một áp suất hơi có thể là quá cao đối với
6
xăng ôtô. Một xăng tự nhiên không chứa butan có áp suất hơi Reid là 1,4 kg/cm2 ở 38°C; nhưng
nếu xăng chứa 25% butan thì áp suất hơi Reid sẽ tăng lên tới 2,3 kg/cm2. Trong xăng không có
butan thì tỉ lệ các hiđrocacbon được tạo nên như sau: các pentan lớn gấp hai lần hexan, hexan lớn
hơn hai lần so với heptan và octan bằng heptan. Công dụng chính của xăng tự nhiên là dùng để
sản xuất các xăng theo yêu cầu của thị trường bằng cách trộn xăng tự nhiên với các xăng khác. Vì
mục đích này áp suất hơi của xăng hỗn hợp càng cao càng tốt, vì người ta thấy rằng áp suất hơi
càng cao thì chỉ số octan càng cao.
3.2.2 Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô
Thành phần hoá học của xăng cất trực tiếp đã tinh luyện được nghiên cứu cẩn thận hơn nhiều
so với bất kỳ phân đoạn nào của dầu mỏ. Các xăng này gồm các hiđrocacbon parafin, naphten và
aromat. Chúng không chứa các olefin hay các dẫn xuất vòng của propan, butan hay heptan. Các
dẫn xuất vòng có thể là xiclopentan và xiclohexan, thậm chí có cả benzen và toluen. Tỉ lệ các loại
hiđrocacbon thay đổi rất rộng tuỳ theo nguồn dầu (xem bảng 15).
Như vậy, các naphten và parafin là các cấu tử chính. Xăng cất trực tiếp từ dầu parafin rất
giàu parafin (~70%); dầu trung gian có hàm lượng parafin tới 50%, còn dầu thô asphalt có hàm
lượng parafin khoảng 3% trong xăng cất trực tiếp. Các xăng giầu naphten và aromat không phổ
biến. Dầu thô Borneo cho xăng cất trực tiếp giàu hiđrocacbon aromat.
Bảng 15.
Thành phần của các xăng cất trực tiếp phụ thuộc vào nguồn dầu
Thành phần (%)
Khối lượng riêng
ở 15°C (g/cm3)
Điểm kết thúc
(°C)
Pensylvania
0,732
207
7
18
75
Oklahoma
0,739
177
10
29
61
Texas
0,750
150
33
21
57
Mehico
0,727
200
10
35
55
Romania
0,736
150
12
30
54
Aromat
Naphten Parafin
Xăng cất trực tiếp thường lấy trong giới hạn từ 40°C ÷ 200°C. Trong khoảng nhiệt độ này
những hiđrocacbon cao cũng bay hơi tạo nên thành phần của xăng (bảng 16).
Bảng 16. Các hiđrocabon trong xăng cất trực tiếp
+ Các n-parafin
Công thức Nhiệt độ sôi (°C)
Khối lượng riêng
ở 20°C (g/cm3)
Nhiệt dung riêng
(cal/g.°C)
Nhiệt hoá hơi
(cal/g)
7
Pentan
C5H12
37
0,63
-
85,5
Hexan
C6H14
69
0,66
0,527
70,4
Heptan
C7H16
98
0,68
0,507
76,5
Octan
C8H18
125
0,78
0,505
71,0
Nonan
C9H20
150
0,72
0,503
-
+ Các naphten
Công thức
Nhiệt độ sôi
(°C)
Khối lượng riêng
ở 20°C (g/cm3)
Nhiệt dung riêng
(cal/g.°C)
Nhiệt hoá hơi
(cal/g)
Xiclo-pentan
C5H10
49,5
0,754
-
-
Xiclo-hetan C6H12
81,4
0,779
0,506
87
Xiclo-heptan
C7H14
118,0
0,811
-
-
Xiclo-octan C8H16
150,6
0,839
-
-
Xiclo-nonan
C9H18
172,0
0,770
-
-
Chúng ta thấy rằng đối với một xăng, tỉ lệ của phần cất càng cao ở một nhiệt độ thấp thì mức
độ bay hơi của xăng càng cao. Nhưng xăng cất trực tiếp theo kiểu này bản thân nó chưa thể là
xăng thích hợp cho động cơ ôtô vì các đặc trưng sử dụng của xăng chưa thỏa mãn.
3.2.3 Xăng crackinh và xăng refominh
3.2.3.1
Giới thiệu chung
Những đặc trưng cơ bản của một xăng ôtô là gì ?
Những đặc trưng này gồm hai loại:
1 - Những đặc trưng gắn liền với đường cong chưng cất (xem phụ lục 2);
2 - Những đặc trưng gắn thành phần hoá học của các hiđrocacbon có mặt trong xăng.
Để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta theo dõi quá trình của xăng từ bình chứa tới khi ra khỏi động
cơ đốt trong.
Xăng đi tới bộ chế hoà khí qua ống dẫn. Nếu xăng quá dễ bay hơi, nó sẽ hoá hơi một phần
dưới tác dụng của nhiệt toả ra từ động cơ và hình thành trong ống dẫn những bọt khí. Bọt khí này
làm gián đoạn dòng xăng chảy vào bộ chế hoà khí. Bởi vậy, cần thiết phải điều chỉnh ngay tại
nhà máy lọc dầu áp suất hơi của xăng ở dưới một giới hạn thích hợp mà áp suất này trong mùa
đông sẽ cao hơn mùa hè.
8
Xăng tiếp tục đi qua bộ chế hoà khí tạo nên một hỗn hợp với không khí. Người ta dễ dàng
nhận thấy rằng dạng của đường cong chưng cất xăng có một ảnh hưởng đáng kể trước hết lên sự
chế hoà khí, sau đó lên cách mà hỗn hợp xăng/không khí (kk) sẽ hoạt động trong động cơ.
Khi khởi động động cơ, hỗn hợp nhiên liệu và không khí cần phải tương đối giầu để có thể
bốc cháy mặc dù xăng bị ngưng tụ khá nhiều khi bị tiếp xúc với các ống làm lạnh. Nói chung,
người ta chấp nhận nhiệt độ sôi của điểm 10% đặc trưng cho khởi động máy. Nhiệt độ sôi này
thường nằm trong khoảng giữa 50°C và 60°C đối với các ôtô và máy bay.
Sự làm việc bình thường của động cơ và đặc biệt khi tăng tốc phụ thuộc vào sự hoá hơi hoàn
toàn của toàn bộ nhiên liệu, người ta chấp nhận rằng nhiệt độ sôi của điểm trung bình, điểm 50%,
đảm bảo hoạt động này. Đối với các xăng thông thường, nhiệt độ này thường nằm giữa 90 và
110°C.
Điểm sôi cuối cùng, cần thiết là xăng không chứa các phân tử nặng khó bay hơi hoàn toàn
trong các điều kiện bình thường, nếu không có thể gây nên sự hoà loãng nhanh dầu của cacte.
Mặt khác, sự có mặt của các phân tử nặng có thể gây nên những bất tiện khác đối với động cơ
khi động cơ quay nhanh bởi vì sự cháy của các phân tử nặng không nhanh bằng các phân tử
nhẹ. Với các động cơ 4000 vòng quay hay lớn hơn, động cơ sẽ thải ra muội do xăng cháy
không hoàn toàn.
Những phép đo chính xác đã chứng minh rằng sự phân bố của hỗn hợp xăng/không khí càng
bất thường trong xilanh khi nhiệt độ của điểm 90% càng cao.
Vì tất cả các nguyên nhân này, điểm cuối cùng của đường cong chưng cất nói chung được
giữ ở dưới 190°C đối với các xăng cho ôtô. Còn các xăng cho máy bay, điểm cuối cùng của
đường cong chưng cất là trước 170°C.
Chúng ta thấy rằng việc phân đoạn cẩn thận của xăng là rất quan trọng và các nhà máy lọc
hoá dầu quan tâm đến vấn đề này suốt trong quá trình sản xuất.
Ngược lại, người ta thấy rằng 2 xăng có cùng đường cong chưng cất, cùng một nhiệt trị
nhưng có thể có sự khác nhau rất lớn về hiệu suất trong một động cơ. Sở dĩ như vậy vì đặc trưng
cho xăng còn có khả năng chống kích nổ.
Năm 1927, Graham Edgar đã đưa ra thang octan. Đầu cao là iso-octan (2,2,4-trimetylpentan)
một chất chậm nổ nhất trong số 18 đồng phân của octan. Đầu thấp là n-heptan một chất dễ nổ
nhất trong 9 đồng phân của heptan và quy định tương ứng cho những hiđrocacbon trên các giá trị
100 và 0. Đó là thang chỉ số octan.
Để xác định chỉ số octan của một xăng người ta sử dụng động cơ CFR (Cooperative of Fuel
Research). Đó là động cơ có 1 xilanh và tỉ lệ nén có thể thay đổi được. Tỉ lệ nén có thể thay đổi
bằng cách điều chỉnh sao cho thu được sự nổ của xăng cần xác định chỉ số octan. Như vậy, sự nổ
của xăng tuỳ thuộc vào động cơ. Để các phép đo có tính lặp lại thì cần phải giữ các điều kiện đo
thật chính xác, đặc biệt là chế độ quay của động cơ, chế độ này sẽ quyết định sự ma sát cũng như
thời gian tiếp xúc giữa không khí và hiđrocacbon.
Tùy theo cách làm việc của động cơ người ta có thể thu được:
-
Chỉ số octan nghiên cứu F1 (RON) hay phương pháp F1 với động cơ quay 600 vòng/phút.
9
-
Chỉ số octan môtơ F2 (MON) hay phương pháp F2 với động cơ quay 900 vòng/phút.
Chỉ số octan môtơ (MON) của một nhiên liệu nói chung thấp hơn chỉ số octan nghiên cứu
(RON). Sự khác nhau giữa hai giá trị RON và MON cho ta biết độ nhạy của nhiên liệu được
nghiên cứu. Thực tế người ta thấy những kết quả đo theo phương pháp môtơ (MON) là rất thỏa
đáng ngay cả đối với xăng có bản chất parafin. Các giá trị MON đặc trưng cho tính chất của
nhiên liệu khi xe đi trên đường vận chuyển dài tốc độ cao. Còn chỉ số RON lại đặc trưng cho tính
chất của nhiên liệu khi xe đi trong thành phố ở tốc độ vừa phải và thường xuyên phải tăng tốc.
Với xăng máy bay người ta dùng phương pháp F3 với động cơ có số vòng quay là 1200 v/ph.
Còn phương pháp F4 đặc trưng cho tính chất nhiên liệu dùng khi máy bay cất cánh hay máy bay
chiến đấu được xác định với động cơ có số vòng quay 1800 v/ph.
Như vậy, chỉ số octan quyết định chất lượng cháy của nhiên liệu và các điều kiện tối ưu được
sử dụng, chỉ số octan gắn liền với khái niệm về hiệu suất sử dụng nhiên liệu.
Hiệu suất nhiệt động học của một vòng hoạt động của động cơ đốt trong ôtô hay máy bay
tăng khi tăng tỉ lệ nén. Nghĩa là tỉ số của thể tích xilanh (ở điểm chết thấp) với thể tích của xilanh
ở điểm chết cao càng lớn. Nhưng có một giới hạn trên cho sự tăng tỉ số nén này. Ở trên giới hạn
này, hiệu suất sẽ giảm đi và xuất hiện tiếng gõ lách cách của kim loại.
Khi động cơ hoạt động bình thường (không có tiếng gõ) sự cháy của hỗn hợp không khí nhiên liệu (kk - nl) (được bắt đầu bằng tia lửa từ bugi) được truyền theo các sóng đồng tâm với
tốc độ truyền lửa khoảng vài mét/giây. Tuyến lửa trong khi truyền, nén phần còn lại của kk - nl
chưa bị cháy làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp. Những điều kiện nhiệt độ và áp suất quá cao này
thuận lợi cho sự hình thành các hợp chất peoxit kém bền vững. Khi nồng độ của chúng trong
hỗn hợp đạt đến một giá trị thích hợp thì chúng tự phân hủy một cách đột ngột gây nên sự nổ.
Sự nổ này được đặc trưng bằng một tốc độ rất lớn sự truyền sóng. Sóng này đập vào nắp xilanh
và đầu của pittong gây nên tiếng nổ mạnh. Vậy tiếng gõ lách cách là kết quả của sóng cơ học
và nhiệt gây ra.
Sóng cơ học tác động đến động cơ, song người ta có thể chế tạo được các động cơ không bị
ảnh hưởng bởi sóng này. Nhưng hiệu ứng nhiệt lại rất nguy hiểm, cần thiết phải làm lạnh để loại
bớt nhiệt toả ra khi nhiên liệu cháy. Nếu không động cơ bị đốt nóng thuận lợi cho quá trình tạo
peoxit, tạo muội cacbon bám trên đầu pittong. Muội này bị nóng đỏ gây nên sự tự cháy của nhiên
liệu mà không cần bugi đánh lửa và động cơ vẫn tiếp tục quay khi ta đã ngắt tiếp xúc. Như vậy,
đối với một nhiên liệu đã cho sự nổ gắn liền với việc chế tạo động cơ, hệ số nén, độ rối của dòng
kk - nl, dạng của nắp xilanh,... chất lượng của bugi. Đối với một động cơ đã cho, sự nổ phụ thuộc
vào thành phần nhiên liệu. Các yếu tố trên dẫn tới việc phải sử dụng phương pháp phân loại các
nhiên liệu tuỳ theo chất lượng kháng nổ của chúng trong động cơ. Nguyên tắc của việc phân loại
các nhiên liệu là so sánh chúng trên cùng một động cơ chuẩn tính chất của mẫu nghiên cứu với
tính chất của một hỗn hợp hiđrocacbon tinh khiết lấy làm chuẩn.
Bảng 17.
Các đặc trưng của xăng thường và xăng cao cấp ở Pháp
Quy định
Xăng thường
Xăng cao cấp
10
Hỗn hợp các hiđrocacbon có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp
Màu
Đỏ
Vàng sáng
Khối lượng riêng (kg/l)
≤ 0,765
≤ 0,770
Đặc trưng chưng cất:
% Thể tích ở 70°C
≥ 10%
% Thể tích ở 140°C
≥ 50%
% Thể tích ở 195°C
≥ 45%
Khoảng cách điểm 5% và điểm 90%
> 60°C
Điểm cuối cùng
≤ 205°C
Cặn (% thể tích)
< 2,5
<3
Áp suất hơi ở 37,8°C:
-
Từ 15/10 đến 30/4 (mùa đông)
≤ 0,8 at
-
Từ 1/5 đến 14/10 (mùa hè)
≤ 0,65 at
Hàm lượng lưu huỳnh (% khối lượng)
< 0,20
Ăn mòn tấm đồng
1b cực đại
Hàm lượng gôm hiện hành
≤ 10 mg/cm 3
RON
89 ÷ 92
Hàm lượng chì
≤ 0,40 g/l
-
Động cơ chuẩn đó là động cơ CFR đã nói ở trên
-
Hiđrocacbon chuẩn là:
< 0,15
97 ÷ 99
n-C7H16 có OC = 0 và iso-C8H18 (2,2,4-trimetylpentan) có OC = 100.
Như vậy, một nhiên liệu có chỉ số octan là X, nếu trong động cơ CFR nó gây nên một tiếng
gõ tương đương với tiếng gõ quan sát thấy của một hỗn hợp gồm X phần trăm thể tích iso-octan
và (100 − x) phần trăm thể tích n-heptan.
Ngoài những chất lượng về độ bay hơi và chỉ số octan đã nói ở trên, một nhiên liệu ôtô
không được chứa các hợp chất của lưu huỳnh có mùi hôi, các hợp chất có tính axit ăn mòn thiết
bị chứa xăng cũng như động cơ. Xăng phải không được chứa gôm, vì gôm có thể gây nên hiệu
quả bít nhanh các lỗ phun và supap. Bảng 17 trình bày các đặc trưng của xăng thường và xăng
cao cấp được sử dụng ở Pháp.
Trong thời gian gần đây, quy định của xăng cao cấp đã bị thay đổi và chấp nhận sự có mặt
của những hợp chất hữu cơ chứa oxi như CH3OH, C2H5OH, C4H9OH hay các ete như MTBE.
Nói chung, các hợp chất này có chỉ số octan cao (>100) nhưng chúng có thể gây ăn mòn thiết bị
hoặc gây trở ngại cho sự phối trộn nhiên liệu nếu chúng có lẫn hơi nước.
Để làm tăng chất lượng của xăng người ta có thể dùng xăng crackinh và xăng refominh.
11
3.2.3.2
Xăng crackinh
Xăng crackinh là xăng thu được sau quá trình crackinh một phân đoạn nhất định của dầu thô.
Những tính chất của xăng crackinh:
Các xăng crackinh nhiệt có chỉ số octan đặc biệt cao hơn các xăng chưng cất trực tiếp. Thông
thường chỉ số octan RON của xăng crackinh nhiệt là 70 ÷ 80.
Xăng crackinh nhiệt không bền vững, chúng có khuynh hướng để cho gôm phát triển tương
đối mạnh trong quá trình bảo quản tại kho với sự có mặt của không khí. Tuy nhiên người ta đã
tìm ra các phương pháp làm sạch xăng hay dùng chất kìm hãm tạo gôm cho phép có thể dùng
xăng mà không có bất kỳ một bất tiện nào đối với ôtô.
Nhưng người ta không thể, ngay cả bằng cách tăng cường các biện pháp xử lí hoá học bằng
các chất kìm hãm, làm cho xăng crackinh nhiệt có một độ bền vững đủ để sử dụng chúng làm
xăng máy bay. Ngược lại, crackinh xúc tác cho các kết quả thoả mãn hơn nhiều, vì thực tế các
xăng crackinh xúc tác không chứa những hiđrocacbon đietilenic mà chúng là những hiđrocacbon
kém bền vững nhất.
Chỉ số octan RON > 90 của các xăng crackinh xúc tác là do:
-
Các hiđrocacbon nhẹ của xăng chứa một tỉ lệ lớn các iso-parafin và iso-olefin.
-
Các hiđrocacbon nặng của xăng đặc biệt giầu các hiđrocacbon thơm. Chúng ta biết rằng
chỉ số octan của ba loại hiđrocacbon này lớn hơn nhiều so với chỉ số octan của các
parafin mạch thẳng.
Bảng 18.
Thành phần của phân đoạn hexan (C6) thu được từ xăng của cùng dầu thô nhưng được sản xuất theo
các cách khác nhau
Các parafin trong phân đoạn
C6 (%)
Xăng thu được từ
chưng cất
Xăng crackinh
nhiệt
Xăng crackinh xúc
tác
2-metylpentan
32
18
48
3-metylpentan
16
16
27
2,3-đimetylbutan
1
3
13
2,2-đimetylbutan
-
-
3
Tổng số iso-parafin
49
37
91
n-hexan
51
63
9
100
100
100
Tổng
Bảng 18 cho thấy những hiđrocacbon parafin của phân đoạn hexan được tách ra từ ba xăng
có cùng một nguồn gốc dầu thô nhưng thu được theo ba phương pháp khác nhau.
Chúng ta thấy rằng các parafin của xăng crackinh xúc tác bị phân nhánh hơn rất nhiều so với
các xăng khác.
Còn các phần nặng, chúng ta sẽ thấy thành phần của chúng trên các đồ thị trong hình 6 và
7 dưới đây khi xử lí cùng một nguyên liệu đầu.
12
Hình 6.
Thành phần của các loại hiđrocacbon thu được trong
crackinh nhiệt
Hình 7.
Thành phần của các loại hiđrocacbon thu được trong
crackinh xúc tác
3.2.3.3
Xăng refominh
Để nâng cao chất lượng xăng, người ta có thể dùng xăng refominh.
-
Xăng refominh nhiệt có chỉ số octan cao hơn nhiều so với xăng cất trực tiếp từ dầu thô.
Bảng 19 dưới đây trình bày các đặc trưng của xăng refominh nhiệt của 2 phân đoạn
tương đối khác nhau của cùng dầu thô Irắc.
Bảng 19.
Đặc trưng xăng refominh nhiệt của 2 phân đoạn từ cùng nguồn dầu thô
Irắc
Đặc trưng
Phân đoạn 1
Phân đoạn 2
13
Điểm đầu (°C)
90
125
Điểm cuối (°C)
205
240
RON của nguyên liệu đầu
40
32
RON của phần refominh nhẹ
78
72
RON của phần refominh nặng
71
65
Chúng ta thấy rằng refomat nhiệt có chỉ số octan cao hơn nhiều so với chỉ số octan của
nguyên liệu đầu.
-
Xăng refominh xúc tác. Quá trình refominh xúc tác các hiđrocacbon là một quá trình rất
phức tạp bao gồm:
+ Đehiđro hoá các naphten thành các hiđrocacbon thơm;
+ Đehiđro vòng hoá các parafin thành các naphten;
+ Đồng phân hoá các parafin và naphten thành isoparafin...
Các quá trình này đều dẫn tới các loại hiđrocacbon có chỉ số octan cao. Chính vì thế, các đặc
trưng của xăng refominh xúc tác là rất tốt cho các động cơ ôtô và máy bay. Ví dụ, chỉ số octan
RON là 92,5, điểm chưng cất 50% ở 111°C.
3.2.3.4
Xăng tổng hợp từ khí
Trong các nhà máy lọc hoá dầu có các khí dư:
-
Loại parafin: CH4, C2H6, C3H8, C4H10 và iso-C4H10
-
Loại etilenic: C3H4, C3H6, 1-buten, 2-buten và iso-buten.
Đây là nguồn nguyên liệu quý để tổng hợp các xăng có chỉ số octan cao. Chúng ta biết rằng
các hiđrocacbon có tính kháng nổ cao là các đồng phân phân nhánh, nghĩa là trong các phân tử
này chứa nguyên tử cacbon bậc ba. Sự phân nhánh càng nhiều thì chỉ số octan của phân tử càng
cao. Hơn nữa người ta cũng nhận thấy rằng độ bền của phân tử với sự va chạm tăng lên khi phân
tử “tự tập trung lại” hay dưới tác dụng của hiệu ứng phân nhánh. Ví dụ đối với hiđrocacbon
parafin C7:
- n-heptan: CH3-(CH2)5-CH3 có chỉ số octan 0 (theo quy ước).
- 2-metylhexan : CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH2-CH3 có chỉ số octan 45.
- 3-metylhexan: CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 có chỉ số octan 65.
Chỉ số octan tăng lên khi các nhánh tập trung về trung tâm của phân tử:
- 3,3-đimetylpentan: CH3 -CH2-C(CH3 )2 -CH2-CH3 có chỉ số octan 94.
- 2,2,3-trimetylbutan (triptan): CH3-C(CH3)2-CH(CH3)-CH3 có chỉ số octan 105.
Triptan có thể được sử dụng trong một mô tơ mà tỉ lệ nén là khoảng 15/1.
Luật tăng chỉ số octan của các hiđrocacbon parafin với sự tập trung của phân tử vào phía tâm
của nó là rất tổng quát và ta có thể thấy sự thay đổi hoàn toàn tương tự đối với các hiđrocacbon
14
C6, C8... và nên nhớ rằng “độ nhạy” hay hiệu số giữa RON và MON tăng lên với sự tập trung của
phân tử vào phía tâm của nó.
Nói chung, người ta nhận thấy rằng những hiđrocacbon etilenic riêng biệt có chỉ số octan cao
hơn một chút so với các parafin tương ứng, trước hết là những hiđrocacbon C8. Mặt khác, độ
nhạy và chỉ số octan của hỗn hợp các hiđrocacbon etilenic là cao hơn nhiều so với độ nhạy và chỉ
số octan của hỗn hợp các parafin có cùng số nguyên tử cacbon.
Chỉ số octan của các naphten cao hơn một chút so với chỉ số octan của các parafin tương
ứng nhưng độ nhạy của chúng không cao hơn.
Những hiđrocacbon aromat có chỉ số octan rất cao. Độ nhạy của chúng trong hỗn hợp cũng
rất lớn như chỉ số octan khi nồng độ của chúng trong hỗn hợp nhỏ. Từ những nhận xét trên đây ta
sẽ thực hiện chuyển hoá các khí thành các nhiên liệu có chỉ số octan càng cao càng tốt. Các
phương pháp tổng hợp như sau:
* Polime hoá xúc tác (oligome hoá)
-
Nguyên liệu đầu là các olefin đã nói ở trên.
-
Xúc tác: axit H3PO4, pyrophotphat đồng, quartz tẩm H3PO4 lỏng.
-
Lò phản ứng có chứa chất xúc tác có thể là một thùng lớn hay là những ống phản ứng có
đường kính tương đối nhỏ mà người ta có thể làm lạnh chúng bằng nước.
-
Nhiệt độ phản ứng thông thường là 150 ÷ 220°C và độ chuyển hoá của olefin có thể đạt
tới 85 ÷ 95% chỉ qua 1 vòng phản ứng.
-
Tốc độ cung cấp olefin có thể dùng từ 0,1 ÷ 0,5 m3/h tuỳ theo độ hoạt động của xúc tác
và áp suất có thể đi từ 35 bar ÷ 70 bar.
Để tránh sự phân huỷ của xúc tác, giữ độ hoạt động lâu dài của chúng, người ta thường đưa
khoảng 5% nước vào nguyên liệu đầu và làm lạnh phản ứng, giữ nhiệt độ phản ứng sao cho không
vượt quá 220°C.
Việc polime hoá chọn lọc như đime hoá isobuten hoặc đồng đime hoá isobuten và buten, tiếp
theo là hiđro hoá cho ta những iso-octan có chỉ số octan F3 ~ 100. Các phản ứng đime hoá chọn
lọc này dần dần được thay thế bằng ankyl hoá có tính ưu việt hơn.
* Ankyl hoá hiđrocacbon phân nhánh bằng olefin nhẹ
Những hiđrocacbon bão hoà có chứa nguyên tử cacbon bậc 3 như isobutan, isopentan... kết
hợp dễ dàng với các hiđrocacbon etilenic khi có mặt của các xúc tác như H2SO4, HF.
C2H4 + iso-C4H10
→
2,2-đimetylbutan,
RON = 92
C2H4 + iso-C4H10
→
2,3-đimetylbutan,
RON = 101
C2H4 + iso-C4H10
→
2,2,4-trimetylpentan, RON = 100
Hai hiđrocacbon đầu tiên, 2,2-đimetylbutan và 2,3-đimetylbutan có chỉ số octan RON tương
ứng là 92 và 101, còn 2,2,4-trimetylpentan có RON = 100 theo định nghĩa. Nếu chúng ta dùng
các iso-olefin, ta sẽ được các sản phẩm sau đây:
15
→
iso-octan
RON = 92 ÷ 94
iso-C5H10 + iso-C4H10 →
iso-nonan
RON = 90 ÷ 92
→
iso-heptan
RON = 89 ÷ 91
iso-C4H8 + iso-C4H10
C3H6 + iso-C4H10
Trong công nghiệp, nếu dùng H2SO4 làm xúc tác cho các phản ứng trên, thường người ta
phải quay vòng phản ứng nhiều lần đối với iso-butan sao cho giữ được trong lò phản ứng tỉ lệ isoC4H10/olefin = (6 ÷ 8)/1. Sở dĩ phải giữ tỉ lệ này vì olefin bị hấp thụ bởi axit H2SO4 rất dễ dàng.
Nếu tỉ lệ này càng lớn thì hiệu suất sẽ càng cao và việc tiêu tốn axit H2SO4/1 lít ankylat càng
thấp.
Xúc tác H2SO4 nồng độ lúc ban đầu là 98% sau đó có thể kết hợp dùng H2SO4 đã sử dụng có
nồng độ 90%. Thông thường người ta dùng axit H2SO4 với nồng độ ban đầu 98% và việc tiêu tốn
tổng cộng axit là từ 1,5 kg ÷ 6,5 kg /1m3 alkylat.
Nếu H2SO4 không thể tái sinh được thì người ta có thể dùng chúng vào mục đích khác như
để tinh chế dầu bôi trơn. Ankyl hoá với sự có mặt của axit H2SO4 là một phương pháp đắt tiền do
phải tiêu tốn nhiều axit.
Với việc dùng axit HF làm xúc tác thì người ta có thể thu hồi HF ở cuối mỗi một vòng phản
ứng nên sự tiêu tốn axit HF giảm xuống (từ 0,8 ÷ 2,3 kg/m3 ankylat).
3.2.3.5
Xăng không chì
Như chúng ta đã biết, để làm tăng chỉ số octan của xăng, người ta dùng các phụ gia như
Pb(C2H5)4, Pb(CH3)4 hay hỗn hợp Pb(C2H5)4 và Pb(CH3)4. Do sự phát triển quá nhanh của nền
công nghiệp ôtô nên việc tiêu thụ xăng cũng tăng rất nhanh. Mật độ dày đặc ôtô trên các đường
phố đã thải vào không khí một lượng chì không nhỏ và gây nên ô nhiễm môi trường, gây hại cho
sức khoẻ con người. Vì thế, việc dùng xăng không chì ngày càng phổ biến. Các nước công
nghiệp phát triển đã đưa ra nhiều luật từ hạn chế dùng xăng có chì tiến tới dùng xăng không chì.
Bảng 20.
Thị trường thế giới và châu Âu về việc dùng xăng không chì (tính
đến tháng 6 - 1990)
Nước
Các loại nhiên liệu không chì (%)
Nhiên liệu
không chì
Thông thường Eurosuper Supermium
(%)
Nhật
100
86
-
14
Canada
92
65
4
23
Mĩ
90
60
6
24
Áo
53
30
23
-
Bỉ
30
-
28
2
Phần Lan
50
-
50
-
Pháp
10,5
-
2
8,5
Italia
4
-
4
-
16
Luxembourg
21
-
19
2
Hà Lan
40
-
33
7
Đan Mạch
45
-
45
-
Bồ Đào Nha
0,2
-
0,2
-
Tây Ban Nha
0,5
-
0,5
-
Anh
25
-
21
4
Thụy Điển
42
-
41,5
0,5
Xăng không chì dùng ở châu Âu chia làm 3 loại:
1 - Mức độ bình thường (Regular-grade) được dùng chủ yếu ở Đức, có RON từ 92 ÷ 93 và
MON từ 82 ÷ 83.
2 - Nhiên liệu động cơ chuẩn dùng cho tất cả các nước trong khối cộng đồng châu Âu có
RON cực tiểu là 95, MON cực tiểu là 85 (những nước không thuộc cộng đồng châu Âu cũng
dùng là Áo, Phần Lan, Đan Mạch, Thuỵ Điển và Thụy Sĩ, tính đến năm 1990).
3 - Nhiên liệu có chỉ số octan cao RON 98 và MON 88. Các nước dùng xăng này là Pháp, Hà
Lan.
Bảng 20 giới thiệu việc dùng nhiên liệu động cơ xăng không chì trên thế giới.
Toàn bộ châu Âu dùng xăng không pha chì khoảng 118 triệu tấn/năm chiếm khoảng 26% thị
trường nhiên liệu.
Như trên đã trình bày, tuỳ thuộc vào giá trị RON và MON người ta chia xăng ôtô thành các
cấp độ khác nhau và như thế thành phần hóa học của chúng cũng khác nhau và ngay xăng cùng
cấp độ (Eurosuper với RON 95, MON 85) cũng có hàm lượng olefin và aromat khác nhau tuỳ
thuộc vào từng quốc gia châu Âu (bảng 21). Bảng 22 cho biết hàm lượng olefin và aromat trong
các xăng có cấp độ khác nhau ở châu Âu.
Bảng 21.
Hàm lượng olefin và aromat của các nhiên liệu không chì châu Âu (cấp độ Eurosuper với
RON 95, MON 85)
Quốc gia
Hàm lượng olefin
(%V)
RON 95
MON 85
Hàm lượng aromat
(%V)
RON 95
MON 85
Tây Đức
7,7
22,4
38,9
45,5
Italia
5,9
13,8
35,3
43,4
Bỉ
7,4
14,4
36,0
45,0
Anh
6,4
9,0
35,8
43,6
17
Đan Mạch, Thụy Điển
9,1
18,2
42,1
45,6
Phụ gia quan trọng và phổ biến nhất thay thế cho các hợp chất cơ chì là MTBE (metyl-tecbutylete). Việc sử dụng MTBE trong xăng không chì ở châu Âu được trình bày trong bảng 23.
Bảng 22.
Sự khác nhau của các loại xăng không chì ở châu Âu
Kiểu xăng
Hàm lượng olefin trung bình Hàm lượng aromat trung bình
(%V)
(%V)
Regular (Đức)
12,1
31,8
Eurosuper (EEC)
7.3
37,6
Superpremium (Pháp)
5,4
50,1
Ta thấy rằng MTBE được dùng trong tất cả các loại xăng. Ngoài MTBE người ta còn dùng
các tác nhân làm tăng chỉ số octan khác là:
-
TAME, (Tec-amylmetyl ete).
-
Metanol với hàm lượng trung bình ~ 1,2 %.
-
Tec-butanol hàm lượng trung bình ~ 1,4 %.
Người ta cũng có thể kết hợp các ancol này với MTBE thêm vào thành phần của xăng không
chì.
Bảng 23.
Việc sử dụng MTBE trong xăng không chì ở châu Âu
Nước
Kiểu xăng
Phần
nhiên
chứa MTBE
Hàm lượng MTBE quan sát được (%
liệu trọng lượng)
Cực tiểu
Bỉ
Trung bình
Cực đại
Eurosuper
100
0,8
2,1
4,0
Superpremium
64
1,0
6,8
11,4
Eurosuper
42
0,7
1,1
1,6
Regular
42
0,1
0,5
1,1
Anh
Eurosuper
25
-
4,4
-
Italia
Eurosuper
50
2,2
4,0
6,2
Đức
Sự có mặt của các hợp chất chứa oxi dường như không có bất kì ảnh hưởng gì đến hộp xúc
tác xử lí khí thải. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ôtô không muốn có một khoảng quá rộng về nồng
độ của các cấu tử chứa oxi. Bởi vì họ phải nghiên cứu những thành phần phân cực có thể cho
18
nhiên liệu ôtô để thu được sự cháy thoả mãn trong tất cả các trường hợp. Ví dụ, sự khác nhau về
tỉ lệ đương lượng các cấu tử của xăng do sự thay đổi hàm lượng MTBE có thể làm thay đổi sự
phát thải các sản phẩm chưa cháy hết (CO và CH) trong giai đoạn đầu khi hộp xúc tác chưa hoạt
động.
Nói tóm lại, xăng không chì là một tổ hợp phức tạp của các hiđrocacbon và các phụ gia. Phụ
gia tăng chỉ số octan là các hợp chất chứa oxi như MTBE, CH3OH, C2H5OH, (CH3)3C-OH, tecamylmetylete... Thành phần xăng này có thể có thay đổi nhỏ tuỳ thuộc vào khí hậu và địa hình cụ
thể của từng nước sử dụng xăng.
Các nhà nghiên cứu cho rằng phụ gia C2H5OH cho xăng có triển vọng sáng sủa nhất vì
C2H5OH không độc hại, và người ta có thể sản xuất được những lượng rất lớn từ nguồn nguyên
liệu nông nghiệp và dầu mỏ.
3.3 Nhiên liệu điezen (DO)
Khi chưng cất sơ cấp dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa 200°C và 320°C. Phân đoạn
này được gọi là gazoin hay dầu điezen. Dầu gazoin thu được từ các sản phẩm crackinh nhiệt và
crackinh xúc tác rất khác với gazoin thu được từ chưng cất trực tiếp dầu thô do thành phần của
chúng đã bị biến đổi. Hàm lượng parafin đã bị giảm đi do sự hình thành các hiđrocacbon không
bão hoà và hiđrocacbon thơm, chất lượng nổ và chỉ số xetan của dầu bị giảm đi.
Tên gọi dầu gazoin có nguồn gốc từ việc dùng dầu này để sản xuất khí thắp sáng bằng
crackinh và mặc dầu ngày nay người ta không còn dùng nữa nhưng tên phân đoạn này vẫn được
giữ nguyên vì những lượng lớn dầu vẫn được dùng để sản xuất khí ướt. Vì mục đích này, dầu
gazoin phải có đặc trưng parafin để khi crackinh nhiệt người ta thu được hiệu suất cao khí có
nhiệt trị lớn. Bởi vậy, dầu gazoin phải là distillat cất trực tiếp từ dầu mỏ parafin.
Nhiên liệu điezen (Diezel fuel) có cùng một khoảng nhiệt độ chưng cất (200 ÷ 320°C) như
dầu gazoin và dĩ nhiên chúng là cùng một nhiên liệu nhưng được sử dụng cho động cơ nén - nổ
(được gọi là động cơ điezen) vì thế chúng được gọi là nhiên liệu điezen. Các động cơ điezen có
rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng một khoảng rất rộng các nhiên liệu từ các distillat của dầu thô
đến các phân đoạn chưng cất dầu than đá và các dầu thực vật.
3.3.1. Dầu gazoin
Vì là một sản phẩm thu được từ chưng cất nên dầu gazoin thay đổi về thành phần tuỳ
theo bản chất của dầu thô nhưng một số tính chất đặc trưng phải được thoả mãn đó là điểm
chớp cháy, khoảng nhiệt độ chưng cất (từ 200 ÷ 320°C). Bảng dưới đây minh hoạ một số
tính chất của dầu gazoin khác nhau tùy theo khối lượng riêng của chúng.
Bảng 24. Thành phần và tính chất của các dầu gazoin
Tỷ trọng (15,5 / 15,5°C)
0,84
0,88
0,86
Điểm chớp cháy, °C
200
186
186
Độ nhớt Redwood ở 37,7°C
35
33
37
Nhiệt độ khoảng sôi thấp nhất, °C
220
200
210
19
% chưng cất tới 300°C
65
34
47
Chỉ số xetan
62
34
47
Cặn cacbon Conradson (% trọng lượng)
0,02
0,07
0,02
Điểm rót, °C
−4
−9
−12
Công dụng chính của dầu gazoin là dùng để sản xuất khí ướt và tách benzen từ khí than (coal
gas), nhưng dầu gazoin có thể được dùng làm nhiên liệu cho động cơ điezen tuỳ thuộc vào chỉ số
xetan của nó. Nếu chỉ số xetan cao thì nó rất thích hợp cho các động cơ điezen cỡ nhỏ và tốc độ
cao. Nếu độ nhớt của dầu gazoin cao thì không thích hợp cho các động cơ điezen chạy đường
biển, trong công nghiệp có tốc độ thấp vì việc bơm nhiên liệu khó khăn.
3.3.2. Nhiên liệu điezen và động cơ điezen
Những tính chất của nhiên liệu điezen được giải thích tốt nhất sau khi nghiên cứu các đặc
trưng của động cơ nén-nổ - động cơ điezen. Sơ đồ động cơ nén-nổ điezen được cho trên hình 7.
Hình 7
Sơ đồ động cơ nén-nổ điezen
Nguyên lí cơ bản của động cơ này là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu. Nhiên liệu
được tiêm vào buồng nén mà ở đó không khí đã được nén tới 1 áp lực từ 41,5 - 45,5 kg/cm2 và
đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500°C. Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí dãn nở làm
tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2. Áp lực này tác động lên pittong và làm động cơ chuyển động.
Trong động cơ nén-nổ 4 kì bình thường, 1 vòng có thể chia thành 4 kì:
1.
Hút không khí vào xilanh, sau đó van vào đóng lại.
20
2.
Nén không khí trong xilanh tới một thể tích xác định (trong kì nén này áp suất và nhiệt
độ tăng lên), khi đó nhiên liệu điezen được phun vào buồng nén.
3.
Nhiên liệu cháy. Khí cháy dãn nở trong khi tất cả các van đóng, áp lực tác động lên đầu
pittong làm máy chuyển động.
4.
Van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén. Kì này hoàn thành 1 vòng của
động cơ và vòng tiếp theo được bắt đầu với việc đóng van xả. Như vậy có 1 kì sinh
công và 3 kì không tải cho hai chuyển động của tay quay.
Trong động cơ 2 kì không khí bị nén như trên, nhưng ngay gần đầu kì sinh công, van xả mở
ra và xilanh được quét bằng không khí sạch từ 1 máy bơm sao cho kì trở lại nén không khí sạch.
Nén không khí sạch là cần thiết để đạt hiệu quả của tay quay và động cơ làm việc mạnh hơn và
êm hơn so với động cơ bốn kì có cùng cỡ và tốc độ.
Những thuận lợi chủ yếu của động cơ điezen là sự gọn gàng của động cơ, sạch sẽ và hiệu quả
nhiệt cao, có thể kể ra như sau:
1.
Với mục đích hàng hải, động cơ điezen chiếm chỗ ít hơn so với động cơ hơi nước có
cùng công suất năng lượng.
2.
Nó không tiêu tốn nước vì nước làm lạnh có thể quay vòng.
3.
Với mục đích chạy đường bộ, hệ thống tiêm nhiên liệu của động cơ điezen hiệu quả hơn
động cơ xăng và tiêu tốn nhiên liệu chỉ vào khoảng một nửa cho cùng một cung đường.
4.
Động cơ có thể xuất phát trong điều kiện lạnh và có thể đạt được công suất hầu như
ngay thức thời, một thuận lợi rất lớn so với bất kì động cơ hơi nước nào.
5.
Được kết hợp với việc sản xuất điện thì động cơ điezen hiệu quả hơn bất kì động cơ nào
khác để cung cấp năng lượng cho việc sử dụng trung gian.
6.
Động cơ điezen làm việc với hiệu suất nhiệt cao khoảng 30 ÷ 35%.
Như trên đã trình bày, trong chu trình làm việc của động cơ điezen, nhiên liệu tự bốc cháy
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính chất quan trọng
của nhiên liệu điezen là chất lượng cháy của nó. Đầu tiên, nhiên liệu phải có khả năng dễ dàng
cháy ở nhiệt độ nén đủ thấp để đảm bảo sự cháy, thậm chí khi xuất phát ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Thứ hai, thời gian giữa khi tiêm nhiên liệu vào xilanh và cháy phải không được quá dài hay quá
nhiều dầu trong xilanh khi sự cháy xảy ra và như thế áp suất cao không cân bằng sẽ sinh ra và
động cơ hoạt động không tốt.
Bởi vậy, chất lượng cháy của nhiên liệu điezen phải được đo bằng nhiệt độ cháy tức thời và
bằng các phép thử động cơ được chế tạo đặc biệt để thu được các giá trị số đối với sự trễ cháy.
Nhiệt độ cháy tức thời (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) liên quan rất nhiều đến hàm
lượng hiđro của dầu và đồng thời nó được xem như phép đo sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu
điezen. Một phương pháp chuẩn là điểm chớp cháy trong khí quyển oxi được xác định bằng cách
nhỏ từng giọt dầu vào một cái cốc kim loại được đốt nóng liên tục.
Một giá trị nhiệt độ thấp của sự tự bốc cháy trong oxi được xem là thuận tiện cho việc dùng
dầu đó. Phép thử này chỉ là một chỉ dẫn rất chung cho sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu điezen.
- Xem thêm -