BỘ CÔng thưƠng trưỜng cao đẲng công nghiệp tuy hòA
tải về 0.81 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- Xăng làm nhiên liệu
- Các ứng dụng khác của xăng
Phân đoạn xăng
Phân đoạn xăng bao gồm các hydrocacbon từ C5 đến C10, C11 có khoảng nhiệt độ sôi dưới 1800C. Cả 3 loại hydrocacbon parafinic, naphtenic, aromatic đều có mặt trong phân đoạn. Tuy nhiên thành phần số lượng các hydrocacbon rất khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thô ban đầu. Chẳng hạn, từ họ dầu parafinic sẽ thu được xăng chứa parafin, còn từ dầu naphtenic sẽ thu được xăng có nhiều cấu tử vòng no hơn. Ngoài hydrocacbon, trong phân đoạn xăng còn có các hợp chất lưu huỳnh, Nitơ và Oxy. Các chất chứa lưu huỳnh thường ở dạng hợp chất không bền như mercaptan (RSH). Các chất chứa Nitơ chủ yếu ở dạng pyridin; còn các chất chứa oxy rất ít, thường ở dạng phenol và đồng đẳng. Các chất chứa nhựa và asphanten đều chưa có.
Động cơ xăng là một kiểu động cơ đốt trong, nhằm thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học của nhiên liệu khi cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay. Động cơ xăng bao gồm động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ, trong đó động cơ 4 kỳ phổ biến hơn. Chu trình làm việc của động cơ 4 kỳ được thể hiện trong hình 3.1. Xăng từ thùng nhiên liệu của phương tiện được bơm chuyển đến bộ chế hòa khí (Carburettor), hoặc hệ thống phun nhiên liệu cơ điện tử. Tại đây nó được phun sương và phối trộn với không khí để tạo thành hỗn hợp cháy. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí sau đó được đưa vào xylanh động cơ thông qua ống góp đầu vào và van hút.  Kỳ hút: Piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, van hút mở ra để hút hỗn hợp xăng và không khí vào xylanh. Lúc này
van thải đóng. Kỳ nén: Piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, lúc này van hút đóng lại để nén hỗn hợp xăng và không khí. Khi bị nén, áp suất tăng (6-12 kg/cm2) dẫn đến nhiệt độ tăng (250 – 3500C), chuẩn bị cho quá trình cháy tiếp theo. Kỳ cháy: Khi piston lên đến điểm chết trên thì bugi đánh lửa, sẽ đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí. Khi cháy, nhiệt năng biến thành cơ năng đẩy piston xuống điểm chết dưới, đồng thời truyền chuyển động qua thanh truyền làm chạy máy. Kỳ xả: Lúc này piston bị đẩy xuống điểm chết dưới, và do quán tính của bánh đà piston tiếp tục đi lên, van xả sẽ mở ra để khí đã cháy thoát ra ngoài và khi piston lên điểm chết trên thì xylanh đã thải sạch khí thải, van thải sẽ đóng lại. Khi piston bắt đầu đi xuống thì van hút lại mở ra và bắt đầu cho một chu trình mới…
Để động cơ làm việc bình thường thì trong xylanh, các mặt lửa phải lan truyền đều đặn, hết lớp nọ đến lớp kia, với tốc độ khoảng 15 đến 40 m/s. Nếu mặt lửa lan truyền với tốc độ quá lớn (nghĩa là sự cháy diễn ra cùng một lúc trong xylanh) thì xem như là quá trình cháy không bình thường và được gọi là cháy kích nổ. Đó là sự cháy rất nhanh hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt do nhiệt độ và áp suất gia tăng nhanh tiếp theo sự cháy khởi đầu của hỗn hợp chung quanh bugi.
Một trong những tính chất quan trọng của nhiên liệu xăng là phải có khả năng chống lại sự kích nổ. Đặc trưng đó gọi là trị số octan. Trị số octan là một đơn vị đo quy ước dùng để đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của nhiên liệu, được đo bằng phần trăm thể tích của izo-octan (2,2,4 – trimetylpentan C8H18) trong hỗn hợp chuẩn với n-heptan (n – C7H16), tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu ở điều kiện tiêu chuẩn. Sử dụng thang chia từ 0 đến 100, trong đó n – heptan có trị số octan bằng không và izo – octan được quy ước bằng 100. Về nguyên tắc, trị số octan càng cao càng tốt, tuy nhiên phải phù hợp với từng loại động cơ. Xăng có trị số octan từ 80 đến 83 thường được sử dụng cho các loại xe có tỷ số nén nhỏ hơn 7,5. Xăng có trị số octan từ 90 đến 95 thường được sử dụng trong các loại xe có tỷ số nén cao trên 9,5 như các loại xe đua, xe ôtô cao cấp… Có hai phương pháp xác định trị số octan, phương pháp nghiên cứu (gọi là trị số octan theo RON) và phương pháp môtơ (gọi là trị số octan theo MON). Điểm khác nhau của hai phương pháp chủ yếu là do số vòng quay của môtơ thử nghiệm. Theo RON: Là trị số octan của xăng thể hiện khi sử dụng trong động cơ ở điều kiện tốc độ và tải trọng trung bình. Số vòng quay của môtơ thử nghiệm là 600 vòng/ phút. Theo MON: Là trị số octan của xăng đặc trưng cho điều kiện hoạt động khắc nghiệt hơn, đó là nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp cao, tải trọng lớn, và động cơ phải trải qua chế độ van tiết lưu mở hết ở tốc độ cao. Số vòng quay của môtơ thử nghiệm là 900 vòng/ phút. Thông thường, trị số octan theo RON thường cao hơn MON. Mức chênh lệch đó phản ánh: ở một mức độ nào đó tính chất của nhiên liệu thay đổi khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, cho nên mức chênh lệch đó còn gọi là độ nhạy của nhiên liệu đối với chế độ làm việc thay đổi của động cơ. Mức chênh lệch giữa MON và RON càng thấp càng tốt. Mỗi loại xăng khác nhau có độ chống kích nổ cũng khác nhau. Người ta thấy rằng: Các hydrocacbon phân tử nhỏ như parafin mạch nhánh, các aromat chỉ cháy được sau khi điểm hỏa, có nghĩa là loại này có khả năng chống kích nổ tốt. Các n – parafin dễ dàng cháy gây cả khi ngọn lửa chưa lan truyền tới, gây ra sự cháy kích nổ. Có thể sắp xếp khả năng chống kích nổ của các hydrocacbon như sau: Hydrocacbon thơm > olefin mạch nhánh > parafin nhánh > naphten có nhánh > olefin mạch thẳng > naphten > n – parafin. Như vậy, trong xăng chứa càng nhiều hydrocacbon thơm hoặc izo-parafin thì trị số octan càng cao. Trị số octan của một số hydrocacbon riêng rẻ có thể tham khảo ở bảng 4.6.
Bảng 3.2. Trị số octan của một số hydrocacbon khác nhau
Phân đoạn xăng lấy trực tiếp từ dầu mỏ có rất ít izo – parafin và hydrocacbon thơm, nhiều n – parafin, do đó trị số octan rất thấp (chỉ đạt từ 30 đến 60), trong khi đó yều cầu về trị số octan cho xăng động cơ phải lớn hơn 80. Vì vậy phải dùng những biện pháp khác nhau để nâng cao chất lượng của xăng, người ta dùng các phương pháp sau đây:
Bản chất của phương pháp này là dùng một số hóa chất pha vào xăng nhằm hạn chế một số quá trình oxy hóa của các hydrocacbon ở không gian trước mặt lửa khi cháy trong động cơ. Các loại phụ gia được chia làm hai nhóm: Phụ gia chì bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetretyl chì (TEL), có tác dụng phá hủy các hợp chất trung gian hoạt động (peroxyt, hydroperoxyt) và do đó làm giảm khả năng bị cháy kích nổ. Kết quả là trị số octan của xăng thực tế được tăng lên. Cơ chế dùng phụ gia chì như sau: Phân hủy TML trong động cơ:
Tạo chất không hoạt động: 
Kết quả là biến các peroxyt hoạt động thành các aldehit (RCHO) bền vững, làm giảm khả năng cháy kích nổ. Nhưng đồng thời PbO kết tủa sẽ bám trên thành xylanh, ống dẫn, làm tắc đường nhiên liệu và tăng độ mài mòn. Do vậy người ta dùng các chất mang để đưa PbO ra ngoài. Các chất mang thường dùng là C2H5Br hoặc C2H5Cl, cơ chế tác dụng như sau: 
Các sản phẩm PbBr2, H2O là chất lỏng, có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi và được khí thải đưa ra ngoài. Hỗn hợp phụ gia chì và chất mang gọi là nước chì. Nước chì rất độc nên phải nhuộm màu để phân biệt.
Phụ gia chì như đã phân tích ở phần trên, chì là phụ gia khi cho vào xăng làm tăng trị số octan nhiều nhất (từ 6 đến 12 đơn vị octan). Tuy nhiên do tính độc hại mà hiện nay nhiều quốc gia đã ban hành luật cấm sử dụng loại phụ gia này. Ở Việt Nam, từ tháng 7 năm 2001 đã bắt đầu chiến dịch không sử dụng xăng chì. Có một số biện pháp hữu hiệu để đạt trị số octan cao hơn khi không sử dụng chì:
Trong các phụ gia chứa oxy nói trên, etanol và MTBE được sử dụng với số lượng nhiều nhất. Chẳng hạn như ở Mỹ, MTBE được pha trộn tới 15% thể tích, etanol tới 10% thể tích. Ở Brazil đã pha trộn tới 22% etanol vào xăng trong nhiều năm. Metanol khi dùng để pha chế thường có trị số octan cao tương tự như các chất phụ gia khác. Ưu điểm lớn nhất của phụ gia này là: giá tương đối rẻ, khả năng điều chế phụ gia này trong thiên nhiên tương đối dễ dàng. Metanol có thể điều chế từ các nguyên liệu thô khác nhau. Nhược điểm lớn nhất của phụ gia này là khả năng tan vô hạn của nó trong nước có thể dẫn tới những hậu quả không tốt. Etanol không được sử dụng rộng rãi như metanol, nó chỉ được sử dụng chủ yếu ở các quốc gia có sẵn nguồn nguyên liệu thiên nhiên là mía như Brazil. Nhược điểm của phụ gia này là hút ẩm rất nhiều, làm tăng nguy cơ cháy nổ của nhiên liệu và làm tăng RPV của nhiên liệu. Phụ gia Tert – butyl alcol là sản phẩm trung gian của oxyt propylen. Có khoảng 800.000 tấn TBA được sản xuất trên toàn thế giới hàng năm, trong đó khoảng 400.000 tấn được sản xuất ở châu Âu. Hiện nay TBA được sử dụng để pha chế với metanol (tỷ lệ 1: 1) hỗn hợp theo tỷ lệ này sẽ làm giảm khả năng phân cách giữa hai pha của metanol, đồng thời cải thiện RPV của hỗn hợp. Nhược điểm của phụ gia này là nhiệt độ chảy mềm khá cao ( vì vậy không tồn chứa xăng có phụ gia này ở nhiệt độ thấp) và có khả năng hút ẩm cao tuy không nhiều như metanol và etanol. Phụ gia Metyl tert – butyl ete (MTBE) khi pha vào xăng không làm thay đổi RPV của nhiên liệu. Khả năng hòa tan với nước của MTBE thấp hơn nhiều so với các loại rượu khác do vậy lượng nước lẫn vào nhiên liệu sẽ ít hơn nhiều, sử dụng MTBE ít nguy hiểm hơn so với các phụ gia khác và nguy cơ gây cháy nổ ít hơn so với rượu. Tuy nhiên nhược điểm lớn của phụ gia này là giá thành cao, trong khi lượng dùng trong xăng khá lớn (tối đa đến 15%). MTBE được điều chế bằng phương pháp tổng hợp các izo – butylen, mà izo – butylen không phải là loại nguyên liệu dễ kiếm. Bên cạnh việc tăng trị số octan, hỗn hợp của xăng với phụ gia chứa oxy đã giúp giảm thải hydrocacbon và CO từ xe cộ sử dụng nhiên liệu. Có thể thấy rõ trị số octan của một số chất chứa oxy điển hình trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Trị số octan của các phụ gia chứa oxy
Bảng 3.4.. Đặc điểm của một số loại xăng
Bảng 3.5. Chỉ tiêu chất lượng xăng không chì
Bảng 3.6. Tổng quan về sự phân loại xăng ôtô trên thế giới hiện nay
Xăng máy bay thuộc loại xăng cao cấp, không thể lấy được lấy được từ một loại xăng thuần nhất mà thường là hỗn hợp của một số thành phần đặc biệt nhằm thu được xăng có phẩm chất tốt. Xăng máy bay phải có những tiêu chuẩn cần thiết sau đây. Trị số octan bằng hoặc lớn hơn 100, ngoài ra phải đảm bảo trị số octan khi hỗn hợp cháy thiếu xăng, thừa không khí và hỗn hợp cháy thừa xăng, thiếu không khí. Động cơ máy bay khi làm việc có hai quá trình: quá trình cất cách bao giờ cũng phải sử dụng công suất tối đa, lượng xăng trong hỗn hợp phải được tăng tối đa (gọi là hỗn hợp giàu). Trong quá trình bay, có lúc động cơ phải giảm công suất, lượng xăng giảm (hỗn hợp nghèo). Trị số octan trong trường hợp hỗn hợp giàu gọi là trị số phẩm độ. Người ta thể hiện trị số octan của xăng máy bay bằng phân số, trong đó: tử số là trị số octan, mẫu số là trị số phẩm độ. Ví dụ xăng loại B 100/ 130 thì 100 là trị số octan, 130 là trị số phẩm độ. Thành phần cất phân đoạn của xăng máy bay phải lấy hẹp (từ 40 đến 1800C) để tránh có nhiều cấu tử nhẹ tạo nút hơi trong hệ thống cấp liệu, và có nhiều cấu tử nặng, vì khi cháy sẽ cháy không hoàn toàn tạo cặn. Hàm lượng olefin phải thấp (< 3%) để tránh sự trùng hợp tạo nhựa, làm cho xăng bị biến màu và không bảo quản được lâu. Xăng máy bay thường là xăng pha trộn, ví dụ, xăng loại B 100/ 130 thu được bằng cách trộn xăng cracking xúc tác với những thành phần cao octan như izo-octan. Xăng B 91/ 115 là xăng pha trộn giữa xăng crăking xúc tác, xăng chưng cất trực tiếp và thành phần cao octan. Bảng 4.13 cho biết chỉ tiêu chất lượng của xăng máy bay theo tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ).
Ngoài công dụng chính là nhiên liệu, xăng còn được sử dụng làm dung môi hoặc nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu.
Phân đoạn xăng được sử dụng làm dung môi trong công nghiệp sơn, cao su, keo dán, ngoài ra còn sử dụng để trích ly chất béo, trong công nghiệp hương liệu, dược liệu… Trong các loại dung môi, phổ biến là xăng parafinic và aromatic. Thông thường xăng dung môi lấy trực tiếp từ dầu mỏ là xăng parafinic, có hàm lượng hydrocacbon thơm thấp. Các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của xăng xem ở bảng 4.12.
Xăng sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu còn gọi là phân đoạn naphta. Từ phân đoạn này người ta sản xuất được các hydrocacbon thơm khác nhau như benzen, toluen, xylen. Ngoài ra, còn thu được các olefin nhẹ như etylen, propylen, butadien… Để thu được các hydrocacbon thơm (BTX), người ta sử dụng các phân đoạn hẹp khi chưng cất. Bảng 3.7. Các ứng dụng của xăng dung môi
Xăng dùng để chế biến hóa học cần phải rất sạch, vì nếu trong xăng có nhiều S, N, O sẽ làm ngộ độc xúc tác trong quá trình chế biến. Vì vậy yêu cầu về hàm lượng các chất dị thể và kim loại nặng có trong xăng phải như sau:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
100
(10