Chuyên đề : Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ phối trộn xăng sinh học E10, E15, E20

Etanol là một dạng nhiên liệu sinh học có thể tái tạo và được sử dụng ngày càng nhiều kể từ khủng hoảng năng lượng trong những năm 70 thế kỷ 20 nhằm từng bước thay thế cho xăng từ dầu mỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

thuộc Đề tài: “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ

thế hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn

5%”, mã số ĐT.06.11/NLSH

thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015,

tầm nhìn đến năm 2025

Sản phẩm 2.1: Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ phối trộn

xăng sinh học E10, E15, E20 Chuyên đề số: 1

Cơ quan chủ trì

Hà Nội, tháng 08 năm 2011

1.3.5.1 Hiện tượng chuyển động của chất lỏng 21

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT QUY

TRÌNH PHỐI TRỘN XĂNG SINH HỌC

2.2.1.4 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp phối trộn thích hợp 39

Lời nói đầu

Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần cộng với tình hình bất ổn tại các khu vực giàu dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria… khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây

lo ngại cho các nước “khát dầu” phục vụ cho nền kinh tế phát triển Vì thế, tìm kiếm năng lượng thay thế, etanol là một nguồn năng lượng mới có nhiều ưu thế, đáp ứng được các tiêu chuẩn như dễ sản xuất, giá rẻ và “thân thiện” với môi trường

Etanol là một dạng nhiên liệu sinh học có thể tái tạo và được sử dụng ngày càng nhiều (kể từ khủng hoảng năng lượng trong những năm 70 thế kỷ 20) nhằm từng bước thay thế cho xăng từ dầu mỏ [1] Etanol nhiên liệu có chỉ số octan cao nên thường được sử dụng pha vào xăng theo các tỷ lệ thay đổi từ 5%, 10%, 20% trong xăng gọi

là E5, E10, E20…

Rất nhiều nước trên thế giới đã sử dụng xăng pha trộn với etanol với các tỷ lệ khác nhau như là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiều loại động cơ khác nhau Để đáp ứng được mục đích đó thì cần phải bổ sung vào xăng pha trộn một số loại phụ gia thích hợp để có thể đảm bảo tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu pha trộn phù hợp làm nhiên liệu động cơ đồng thời phù hợp với điều kiện khí hậu của từng khu vực,

quốc gia Do đó chuyên đề: " Nghiên cứu đề xuất qui trình công nghệ phối trộn

xăng sinh học E10, E15, E20" tiến hành đánh giá tình hình sử dụng và sản xuất xăng

sinh học pha trộn etanol trên thế giới, tính hình sản xuất etanol trên thế giới và Việt Nam; nghiên cứu các thành phần pha trộn xăng sinh học và nghiên cứu đề xuất qui trình công nghệ phối trộn xăng sinh học E10, E15, E20 và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trinh phôi trộn

CHUYÊN ĐỀ 1: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ PHỐI

TRỘN XĂNG SINH HỌC E10, E15, E20

Các hỗn hợp pha trộn phổ biến khác như E5 và E7 nói chung có nồng độ an toàn cho động cơ xăng Ngày nay, các yêu cầu bắt buộc về tỷ lệ phối trộn là từ 10 – 15% etanol trong xăng [3]

Hỗn hợp phối trộn E10 và các hỗn hợp phối trộn khác giúp Mỹ giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài và làm giảm từ 20 – 30% lượng khí thải CO2 [4] Cũng theo Bộ năng lượng Philippin, việc sử dụng không quá 10% etanol trong hỗn hợp xăng pha trộn không làm ảnh hưởng tới hệ thống nhiên liệu của xe [5]

Hỗn hợp E15 là hỗn hợp nhiên liệu phối trộn có chứa 15% etanol và 85% xăng Đây là tỷ lệ phối trộn cao nhất với xăng etanol có thể sử dụng cho xe chạy với nhiên liệu E10 ở Mỹ [6,7]

Tháng 10 năm 2010 Tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ - EPA cho phép sử dụng nhiên liệu phối trộn 15% etanol với xăng dành cho xe ô tô và xe bán tải loại nhẹ Tháng 1 năm 2011mở rộng sử dụng cho xe chở khách sản xuất năm từ 2001 đến năm

2006 EPA cũng quyết định sử dụng E15 cho xe máy, xe tải và theo Hiệp hội nhiên liệu tái tạo Mỹ đánh giá, nếu các xe từ năm 2001, các xe mới hơn và các xe bán tải sử dụng hỗn hợp E15, lượng etanol pha trộn lý thuyết sử dụng khoảng 17,5 triệu galon/năm Hiện nay, EPA vẫn tiếp tục nghiên cứu việc sử dụng hỗn hợp E15 trên các loại xe cũ hơn [8,9]

Những hỗn hợp pha trộn với 20%, 25% etanol đã được sử dụng rộng rãi ở Brazil từ những năm bảy mươi Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ 1973, chính phủ Brazil

đã bắt buộc sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu phối trộn xăng pha cồn với tỷ lệ từ 10% - 22% từ 1976 đến 1992 và đến năm 2003 giới hạn này đã được cố định tối đa 25% (E25) và tối thiểu 20% (E20) theo thể tích etanol [10] Tất cả các xe ở Brazil đều thích hợp để chạy xăng động cơ từ E20 đến E25 Các loại xe nhiên liệu linh hoạt có thể chạy trên tất cả hỗn hợp xăng pha trộn tỷ lệ E20-E25 cho đến 100% etanol (E100) E100 là nhiên liệu etanol tinh khiết cũng đã được sử dụng rộng rãi như nhiên liệu động cơ ở Brazil từ những năm bảy mươi cho loại xe nhỏ gọn và cho loại xe nhiên liệu linh hoạt gần đây

Bảng 1: Quá trình sử dụng nhiên liệu etanol pha trộn ở Brazil

mạng lưới bán nhiên liệu E20 Đến giữa năm 2010, Thái lan có 161 trạm bán nhiên liệu E20, tăng 80% so với từ tháng 4 năm 2009 Như cầu E20 tăng nhanh là do trong thực tế, hầu hết các phương tiện ra đời từ năm 2009 đều tương thích với E20 cũng như một số loại ôtô tiết kiệm nhiên liệu của các nhà sản xuất ôtô địa phương [11-13] Đến giữa năm 2010 đã có 4 cây xăng E85 và kế hoạch của nước này sẽ mở rộng đến 15 trạm xăng E85 vào năm 2012 [14]

Những hỗn hợp nhiên liệu phối trộn có thành phần etanol cao như 70% (E70), 75% (E75), 85% (E85) cũng đã được sử dụng ở Mỹ và một số nước châu Âu như Thụy Điển cho các loại xe nhiên liệu linh hoạt

Hình 1: Áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu

Hỗn hợp xăng E85 có chỉ số octan khoảng 105 cao hơn xăng thông thường (87 95) Tuy nhiên, hỗn hợp này gặp vấn đề trong thời tiết lạnh dưới 110C vì khi áp suất hơi trong hỗn hợp pha trộn nhỏ hơn 45kPa việc đánh lửa của nhiên liệu sẽ không đảm bảo (hình 1) Để tránh hiện tượng này, người ta hạ tỷ lệ pha trộn etanol trong xăng xuống 70% ở Mỹ và 75% ở Thụy Điển

-Ngoài ra, về bản chất, xăng là hợp chất không phân cực còn etanol là chất phân cực do đó trong quá trình phối trộn cũng như bảo quản, nhiên liệu phối trộn dễ bị tách thành 2 pha Pha xăng ở trên, pha etanol ở dưới Như vậy, nghiên cứu công nghệ phối trộn là một yêu cầu cần thiết để đưa ra một công nghệ phối trộn phù hợp đối với xăng sinh học để hạn chế được quá trình tách pha nhiên liệu

1.1.2 Tình hình sản xuất xăng sinh học

Nhiều quốc gia, trước hết là Mỹ có kế hoạch đầu tư lớn vào nhiên liệu sinh học Ngày 8/1/2010 Chính phủ Mỹ phê chuẩn 2,3 tỷ USD để hỗ trợ cho các nguồn năng lượng xanh Ngày 3/2/2010 Chính quyền Obama và Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã cùng công bố Tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo (RFS) để thúc đẩy việc phát triển nhiên liệu sinh học Theo kế hoạch, đến năm 2022 nhiên liệu tái tạo phục vụ giao thông ở Mỹ mỗi năm phải đạt tới 36 tỷ gallon (1 gallon = 3,785 lít)

Hình 2: Nhà máy Etanol

Tháng 11/2010, EPA xác định cuối năm 2011 phần nhiên liệu sinh học từ chất

xơ (cellulose) phải đạt tới 6,6 triệu gallon (nên lưu ý là từ chất xơ chứ không phải từ tinh bột sắn như dự án ở nước ta), phần diesel sinh học phải đạt 800 triệu gallon, phần nhiên liệu sinh học tiên tiến (advanced biofuel) phải đạt 1,35 tỷ gallon, phần nhiên liệu

có thể tái sinh phải đạt 13,95 tỷ gallon

Trước đó, ngày 2/6/2010 Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã hỗ trợ 5 triệu USD để phát triển nguồn năng lượng sinh học phi lương thực Về nhiên liệu sinh học tiên tiến DOE dành ra 80 triệu USD để hỗ trợ nghiên cứu, trong đó có phần nghiên cứu nhiên liệu từ sinh khối tảo, nhiên liệu xanh trong không trung

Liên minh Châu Âu (EU) quyết định giảm thiểu phát tán khí nhà kính và giảm nhu cầu nhập khẩu xăng dầu bằng cách thực hiện mục tiêu thay thế 10% nhiên liệu dùng trong vận tải bằng các nhiên liệu tái tạo Có 14 quốc gia trong EU thỏa thuận hợp

tác nghiên cứu và triển khai sản xuất nhiên liệu sinh học EU dành ra 37 triệu Euro (trong đó 23 triệu Euro lấy từ FP7) để hỗ trợ sự nghiệp này

Hình 3: Các nguồn sinh khối

Có 14 quốc gia trong EU thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và triển khai sản xuất nhiên liệu sinh học

Chính phủ Đức xác định đến năm 2020 ở nước này nguồn năng lượng có thể tái sinh ít nhất cũng phải đạt 30% tỷ lệ điện năng được sử dụng Chính phủ Pháp huy động 1,35 tỷ Euro để hỗ trợ cho sự phát triển nhiêu liệu sinh học và các nguồn năng lượng tái sinh Pháp còn huy động thêm 2 tỷ Euro từ tư nhân để hỗ trợ cho các dự án quan trọng này Phần Lan quyết định trong 10 năm tới, mỗi năm huy động 327 triệu Euro để dành cho các nguồn năng lượng tái sinh Nhờ phát triển các nguồn năng lượng tái sinh mà đến năm 2020 Phần Lan sẽ giảm thiểu mỗi năm được đến 7 triệu tấn CO2thải loại vào không khí

Chính phủ Canada đã yêu cầu từ ngày 15/12/2010 trở đi trong xăng phải có 5% các nhiên liệu có thể tái tạo Ngày 5/6/2010, Chính phủ Canada quyết định hỗ trợ khoảng 4,7 triệu USD để giúp tỉnh Nova Scotia nuôi cấy tảo biển trên quy mô lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học

Về xăng sinh học, từ năm 2010, Nhật Bản đã có 3 nhà máy sản xuất xăng sinh học và có trên 2.000 trạm bán xăng sinh học Các nhà máy này đã chuyển hóa thân mía

và rơm rạ lúa mỳ thành etanol (việc sản xuất etanol từ sắn là không hợp lý) Trộn 43%

cồn sinh học với 57% khí thiên nhiên để tạo thành Ethyl tert-butyl ether (ETBE), lại trộn với 99% xăng để tạo thành xăng sinh học Nhờ đó mà CO2 thải ra rất ít, có lợi lớn cho môi trường

Trung Quốc, nước có dân số đứng đầu thế giới cũng đã xác định tạo ra chính sách ưu tiên sản xuất và sử dụng diesel sản xuất từ mỡ động vật và dầu thực vật Các sản phẩm này được miễn thuế nếu lượng dầu hay mỡ chiếm không dưới 70% Ngoài

ra, Trung Quốc chủ trương phát triển các nguồn điện năng từ sinh khối phụ phẩm nông lâm nghiệp để hạ giá thành từng đơn vị tiêu thụ điện

1.1.3 Tình hình sản xuất etanol

Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng etanol để thay thế chất phụ gia MTBE trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều năm qua Ở Mỹ, vào đầu năm 2003, chính phủ nước này đã công bố cấm sử dụng MTBE, do nhiều công trình nghiên cứu

về sự ô nhiễm nguồn nước, môi trường không khí, sức khỏe con người trong việc sử dụng MTBE

Etanol nhiên liệu là cồn tuyệt đối (hay còn gọi là cồn khan, có độ cồn từ 99,5

÷100%), được sản xuất từ cồn công nghiệp (có hàm lượng etanol từ 92÷96)

Chương trình etanol nhiên liệu được nhiều nước quan tâm, đầu tư xây dựng chiến lược để xây dựng các nhà máy sản xuất etanol từ các loại ngũ cốc như: Ngô, sắn, mía đường…Để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiên liệu tái tạo trong tương lai Đây

là chương trình phát triển nông nghiệp nông thôn, nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai, nguồn nông sản ở mỗi quốc gia

Mỹ là một trong hai nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới với một chương

trình etanol nhiên liệu cụ thể Tổng công suất sản xuất etanol nhiên liệu ở Mỹ đến năm 2003 đạt 3,5 tỷ gallon, tương đương 13 tỷ lít Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxin, nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới hiện nay Vào năm 2003 do lệnh cấm sử dụng MTBE sẽ làm tăng mạnh nhu cầu đối etanol nhiên liệu ở Mỹ hiện nay

Braxin là quốc gia sản xuất etanol tuyệt đối lớn nhất thế giới hiện nay Từ 15

năm nay, tất cả xe cộ ở Braxin đều chạy bằng etanol tinh khiết, đây như là một ví dụ điển hình về việc khai thác năng lượng sinh khối (Biomass)

Năm 1975, chính phủ Braxin đưa ra một chương trình sản xuất etanol từ mía để giải quyết vấn đề giá đường thế giới hạ và gánh nặng ngày càng tăng của ngành dầu

mỏ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 Để giải quyết vấn đề này người ta tận dụng các nhà máy đường hiện có để sản xuất etanol Chương trình này kéo theo mở rộng diện tích trồng mía và xây dựng thêm các nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối Sản lượng nhiên liệu sinh học này tăng đều đặn, từ 0,6 tỷ lít năm 1975 đến 14 tỷ lít năm

1998 Từ cuối năm 1970 toàn bộ xe cộ ở Braxin dùng nhiên liệu có chứa 20% etanol

để thay thế cho xăng và diesel mà không cần thay đổi động cơ Từ năm 1984 đến

1988, tất cả số ôtô mới được bán ra thị trường đều chạy bằng cồn tuyệt đối Năm 1988 các loại xe này đã tiêu thụ hết 7,6 tỷ lít cồn, trong đó 5,3 tỷ lít dùng để pha xăng, còn lại dùng cho ôtô

Thống kê về tỷ lệ sử dụng etanol và gasoline ở Braxin như sau:

Hình 4: Tỷ lệ sử dụng etanol và gasoline ở Braxin

Ngoài Braxin và Mỹ là 2 quốc gia có sản lượng cồn tuyệt đối lớn nhất thế giới, còn phải kể đến một số quốc gia khác có tiềm lực cũng rất lớn đó là: Tây Ban Nha, Trung Quốc, ẤnĐộ, Thái Lan…

Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà máy nào sản xuất cồn tuyệt đối ở quy mô công nghiệp, vì vậy việc nghiên cứu đầu tư công nghệ tiên tiến để xây dựng một nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu là cần thiết, phù hợp với chương trình etanol nhiên liệu toàn cầu trong nền kinh tế thị trường như hiện nay Mặt khác nó giải quyết được một

số vấn đề yếu kém tồn tại của nước ta hiện nay là:

- Nhiên liệu xăng và diesel đều phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu với tổng nhu

cầu hàng triệu tấn một năm Cùng với đà phát triển của nền kinh tế đất nước và quá trình hội nhập, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sẽ tăng với tốc độ lớn Theo

dự báo, đến năm 2020, ở Việt Nam nhu cầu sử dụng nhiên liệu đạt 20 triệu tấn/ năm, trong đó sản xuất trong nước chỉ đáp ứng được khoảng 76% nhu cầu

- Vì thế việc nghiên cứu các phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối, kết hợp với nghiên cứu lựa chọn các hệ phụ gia phù hợp để sản xuất các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu ở Việt Nam, đảm bảo giảm ô nhiễm môi trường, phát triển nguồn tài nguyên thực vật, đặc biệt là sử dụng nông sản

và phế liệu công nghiệp chế biến nông sản đáp ứng được an ninh năng lượng quốc gia

1.2 THÀNH PHẦN CỦA XĂNG SINH HỌC

1.2.1 Etanol

Etanol (C2H5OH) là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm Etanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước có thành phần 95,47% thể tích

Hình 5: Nhiệt độ bay hơi của etanol và nước trong hỗn hợp (a:điểmđẳngphí)

Các tính chất của etanol có thể được tóm tắt bằng bảng 2:

Bảng 2 Các tính chất cơ bản của etanol

Danh pháp IUPAC Ethanol Tên khác Rượu etylic, Cồn, Hydroxyetan Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

Phân tử gam 46.07 g/mol Biểu hiện Chất lỏng trong suốt

Thuộc tính

Tỷ trọng ở 15oC 0.789 g/cm3

Độ hòa tan trong nước Tan lẫn hoàn toàn Điểm nóng chảy -114.3 oC (158.8 K) Điểm sôi 78.4 oC (351.6 K)

pKa 15.9 (H+ từ nhóm –OH)

Độ nhớt 1.2 cP ở 20 oC Điểm bắt lửa 13 oC

Trong tổng hợp hóa học, etanol là hợp chất trung gian để sản xuất các chất hóa học khác như acid axetic, etyl axetat…

Ngoài ra, người ta có thể dùng etanol làm dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ khác

Ngày nay, hướng nghiên cứu về nhiên liệu sạch, trong đó việc sử dụng cồn có nồng độ cao pha xăng được xem là một hướng đi hiệu quả và được chú ý rất nhiều Một số nước trên thế giới hiện nay đã ứng dụng thành công nghiên cứu này và chokết

quả tốt Điều này giúp giải quyết được vấn đề môi trường, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường do các động cơ gây ra

Etanol được sử dụng phổ biến để phối trộn với nhiên liệu xăng vì có nhiều ưu điểm như:

- Giảm phát thải khí cacbon dioxit, làm giảm sự ấm lên của trái đất

- Đáp ứng nhu cầu cần thay thế dần nhiên liệu dầu mỏ bằng nguồn nhiên liệu có thể tái tạo

- Giảm ô nhiễm môi trường không khí do đó cải thiện chất lượng không khí môi trường

- Giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu

- Tạo thêm nhiều công việc mới bằng việc sản xuất etanol

1.2.2 Xăng

Xăng, là một loại dung dịch nhẹ chứa Hyđrocacbon, dễ bay hơi, dễ bốc cháy, cất từ dầu mỏ Xăng được sử dụng như một loại nhiên liệu, dùng để làm chất đốt cho các loại động cơ xăng

Xăng được chế biến từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất trực tiếp và Cracking, có tỷ trọng từ 0.70 đến 0.75, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35-200oC Xăng động cơ được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, kiểu

bộ chế hòa khí (động cơ xăng)

Các loại xăng:

 Xăng Mogas 95 (M95):Có mùi đặc trưng, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén trên 9,5/1 như các xe hơi đời mới, xe đua, có trị số ốctan là 95

 Xăng Mogas 92 (M92): Có mùi đặc trưng, màu xanh lá, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 9,5/1, có trị số ốctan là 92

 Xăng Mogas 83 (M83):Có mùi đặc trưng, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 8/1, có trị số ốctan là 83 Hiện xăng này ít được

sử dụng trên thị trường

Các chỉ tiêu chất lượng của xăng:

 Tính chống kích nổ

Có hai hiện tượng cháy có thể xảy ra: cháy bình thường, cháy kích nổ trị số ốctan của xăng biểu hiện tính chống kích nổ của xăng Xăng có trị số ốctan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao VD: M95 Xăng có trị số ốctan cao sử dụng cho động

Xăng muốn cháy được trong máy thì phải bay hơi Xăng bay hơi thích hợp thì

sẽ cháy tốt trong máy Nếu xăng bay hơi không thích hợp thì máy sẽ phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều và gặp phải ngững sự cố kỹ thuật sau: Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi, hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng)

 Tính ổn định hóa học

Khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xung quanh gọi là tính ổn định hóa học của xăng Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa và thời gian tồn chứa Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học càng thấp

 Tính ăn mòn, tạp chất

Xăng có tính ăn mòn kim loại do sự có mặt của các hợp chất lưu huỳnh, các axít, keo nhựa chưa tinh chế hết trong quá trình chế biến Tạp chất cơ học có trong

xăng gồm những chất từ bên ngoài rơi vào trong quá trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi, v.v… Nước từ bên ngoài rơi vào xăng trong quá trình xuất, nhập, tồn chứa

1.2.3 Phụ gia

Việc chỉ sử dụng etanol hoặc trong hỗn hợp phối trộn với xăng có thể sẽ tạo ra những vấn đề mới phát sinh trong động cơ sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống Các tính chất phân cực, ăn mòn, bám dính, ma sát và tính dẫn của etanol hoặc nhiên liệu có chứa etanol có thể tạo ra các vấn đề mới và nhu cầu mới trong ngành công nghiệp nhiên liệu

Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất đối với xăng sinh học trong thời gian lưu trữ, bảo quản là khả năng hút nước mạnh từ môi trường xung quanh và giữ chúng ở dạng hấp phụ hoặc hấp thụ Sau khi hút nước nhiên liệu dễ dàng bị phân tách thành 2 pha Pha xăng ở trên, pha etanol-nước ở dưới

Hiện nay, nhiều phương pháp đã được sử dụng để cải thiện việc bảo vệ động cơ

và hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt cháy Đặc biệt, do etanol phân cực hơn so với xăng hydrocarbon nên quá trình cung cấp và đốt cháy nhiên liệu có chứa etanol có thể phát sinh một số vấn đề Chẳng hạn, nhiên liệu có thể có những tác động tiêu cực tới các bộ phận của bề mặt đốt của động cơ, bồn chứa nhiên liệu, van, vòng đệm, các miếng đệm, kim phun, đường ống, máy bơm, vòi, bộ lọc và các bộ phận khác Ngoài ra, đối với etanol được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc sinh học, việc sử dụng nhiên liệu pha etanol có thể gây nên sự tích tụ của các tạp chất trong etanol trong hoặc trên bộ phận động cơ và các bộ phận cung cấp nhiên liệu Hơn nữa, do nhiên liệu chứa etanol có hàm lượng nước và tạp chất axit cao hơn nên trở thành môi trường dẫn cho quá trình oxi hóa các bề mặt kim loại gây hiện tượng ăn mòn

Các phụ gia thông thường được sử dụng như phụ gia chống tách pha, phụ gia chống phân tán, phụ gia chống ăn mòn …

Những thông tin chi tiết liên quan đến phụ gia sẽ được trình bày cụ thể trong các chuyên đề riêng về phụ gia

1.2.4 Etanol nhiên liệu biến tính

Sản phẩm etanol dùng làm nhiên liệu sẽ được phối trộn với một lượng nhỏ chất biến tính theo tỷ lệ 1- 5 % theo thể tích nhằm đánh dấu mục đích sử dụng Chất biến tính thường được sử dụng là xăng thương phẩm như RON 90, RON 91, RON 92 hoặc phân đoạn naphtha

Etanol khan với hàm lượng >99,5% được pha trộn với hỗn hợp chất biến tính (dưới 5%) để thu được etanol nhiên liệu biến tính gồm xăng và các phụ gia: phụ gia chống tách pha, phụ gia chất phân tán, phụ gia chống oxy hóa, phụ gia chống ăn mòn Phụ gia được pha vào etanol khan với mục đích hạn chế khả năng hấp thụ hơi nước trong môi trường trước khi phối trộn dễ gây ăn mòn thiết bị

1.3 CÔNG NGHỆ PHỐI TRỘN

Phối trộn là quá trình kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo thành sản phẩm đồng nhất Thuật ngữ trộn được biết rõ ràng hơn với quá trình trộn lỏng-lỏng, khí-lỏng và vật liệu có tính nhớt Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm để tạo thành dung dịch huyền phù, nhũ tương để tăng cường các quá trình truyền nhiệt, chuyển khối, phản ứng hóa học… Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng

1.3.1 Phối trộn bằng phương pháp khuấy

Công nghệ phối trộn thông thường, người ta sử dụng mẫu thùng trộn có khuấy

sử dụng lực đẩy hình học

Hình 6: Mô hình phối trộn thùng có cánh khuấy (a), cánh khuấy (b)

Các loại cánh khuấy thường được sử dụng trong công nghiệp là loại tấm, mái chèo bản, mái chèo hai thanh và mái chèo có thanh đặt chéo được sử dụng khi số vòng quay nhỏ, loại mỏ neo (chữ U), mỏ neo ghép hay loại chân vịt, loại tuốc bin được sử dụng khi số vòng quay lớn Các kiểu cánh khuấy được trình bày trong hình 7 [15]

a: Loại tấm (bản) µ < 50 cP, n = 20 – 80 vg/ph; b: mái chèo bản; c: mái chèo hai thanh

thẳng µ < 50 cP, n = 20 – 80 vg/ph; d: mái chèo thanh đặt chéo µ < 500 P, e: mỏ neo (chữ U) µ = 10 – 1000 P; f: mỏ neo ghép; g: chân vịt µ < 80 P, n = 400 - 800 vg/ph; h: tuốc bin kín µ < 150P; i: loại đĩa rung động; m: loại mái chèo có truyền động hành tinh; n: sục khí; k: sục khí tuần hoàn; q: máy trộn loại ống loa; t: loại vít xoắn nằm

ngang

Hình 7: Các loại cánh khuấy

1.3.2 Phối trộn bằng phương pháp tuần hoàn

Hệ thống trộn liên tục hay tuần hoàn kín trong ống tại tiếp tuyến hai đường ống được sử dụng trong phối trộn được trình bày trong hình 1.8

Hình 8: Mô hình phối trộn rắn – lỏng

Hai dòng nguyên liệu được hút vào cùng lúc và đảo trộn trong theo cánh quay trong buồng bơm Hệ thống phối trộn kiểu này có 2 dạng nạp liệu Một là đường nạp liệu sử dụng ống mềm linh hoạt để hút nguyên liệu, hai là sử dụng phễu nạp liệu Mô hình hệ thống được trình bày trong hình 9

Hình 9: Các dạng nạp liệu của hệ thống phối trộn tuần hoàn

1.3.3 Phối trộn trong đường ống

Ngày nay, trong quá trình phối trộn lỏng – lỏng, người ta thường sử dụng thiết

bị khuấy trộn đơn giản kiểu xoáy ốc – trộn tĩnh Đây là thiết bị trộn trong đường ống

mà trong đó các chất lỏng cần phối trộn được cho đi qua các khối hình học đặt bên trong đường ống Có hơn 30 kiểu thiết kế thiết bị trộn tĩnh khác nhau nhưng những thiết bị thương mại phổ biến nhất là của các nhà sản xuất sau đây [16]:

 Chemineer Kenics: KM series and HEV, hình 10 - a

Hình 10: Các kiểu thiết kế đường ống trong thiết bị trộn tĩnh [16]

Hầu hết các thực nghiệm làm việc trong thiết bị phối trộn tĩnh tập trung vào xác định thiết kế đường dẫn và giá trị trở lực suất tương ứng Thiết bị trộn kiểu Kenics trong ống bao gốm các bộ phận xen kẽ bên trái và bên phải xoắn ốc 1800 Các bộ phận này được bố trí theo góc vuông với góc kế tiếp của bộ phận trước [17]

Hình 11: Các kiểu thiết kế chi tiết trộn nằm nghiêng trong thiết bị trộn tĩnh của

hãng Kenics [17]

1.3.4 Phối trộn bằng phương pháp sục khí trơ

Một phương pháp phối trộn khác, phương pháp trộn bằng cách sục khí trơ được

áp dụng để trộn hai cấu tử lỏng linh động với nhau Có 3 cách sục khí vào hỗn hợp chất lỏng là:

- Sục từ bộ phân phối khí từ dưới đáy thiết bị (hình 12-a)

- Sục khí bằng đường ống phân phối khí đi từ trên xuống đáy và được bố trí ở trung tâm thiết bị

- Xung quanh ống dẫn khí có các ống để tạo các bong bong khí nhỏ (hình 12-b)

- Sục khí tuần hoàn thông qua một đường ống nối từ đáy thiết bị đến mặt chất lỏng (hình 12-c)

Khí được sục vào trong lòng chất lỏng từ dưới đáy thiết bị qua bộ chia để phân tán bong bong khí trong lòng hỗn hợp chất lỏng cần trộn theo kiểu tầng sôi Ngày nay, nhằm nâng cao khả năng khuếch tán của khí trong chất lỏng, người ta thiết kế ra loại máy sục chìm có thêm máy phản lực làm tăng khả năng phân phối khí, khuấy động dòng đối lưu tạo nhiều bong bóng khí nhỏ

(a) (b) (c)

Hình 12: Thiết bị trộn kiểu sục khí 1.3.5 Chế độ chuyển động của chất lỏng

1.3.5.1 Hiện tượng chuyển động của chất lỏng

Hiện tượng khi vận tốc lưu chất trong ống thủy tinh thay đổi thì chế độ dòng chảy sẽ thay đổi Khi vận tốc nhỏ, dòng mực chuyển động trong ống thủy tinh như một sợi chỉ xuyên suốt trong ống Tiếp tục tăng vận tốc tới một lúc nào đó, dòng mực bắt đầu gợn sóng Nếu tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì dòng mực hòa trộn hoàn toàn trong nước, nghĩa là không còn nhìn thấy dòng mực nữa

Điều này được giải thích, khi vận tốc lưu chất còn nhỏ, chất lỏng chuyển động theo từng lớp song song nhau nên dòng mực cũng chuyển động theo đường thẳng Trường hợp này Reynolds gọi là chế độ chảy tầng (chảy dòng) Khi vận tốc tăng đến một giới hạn nào đó, các lớp chất lỏng bắt đầu có hiện tượng gợn sóng (chuyển động theo phương vuông góc) do đó dòng mực cũng bị dao động tương ứng và chế độ này gọi là chảy quá độ Tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi phương do đó dòng mực bị hoà trộn hoàn toàn trong lưu chất Trường hợp này gọi là chế độ chảy xoáy [18]

Với việc nghiên cứu dòng mực chuyển động trong ống khi thay đổi vận tốc của nước (như hình 10.9) Reynolds đã tìm ra một chuẩn số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của dòng lưu chất và được gọi là chuẩn số Reynolds

Trong đó:

ρ- khối lượng riêng lưu chất, kg/m

µ- độ nhớt động lực học lưu chất, kg/ms

ν- độ nhớt động học, m2/s

w - vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong ống, m/s

dtd - đường kính tương đương, m

Reynolds đã chứng minh được rằng nếu:

- Re < 2320: lưu chất chảy tầng

- Re=2320 - 10000: lưu chất chảy quá độ

- Re > 10000: lưu chất chảy xoáy

Trong công thức trên thì dtd được tính theo công thức:

Trong đó:

f – tiết diện ống, m2

U – chu vi thấm ướt của ống, m

Nếu ống tròn có đường kính D: thì tiết diện f= D2/4 và chu vi thấm ướt U = D Như vậy dtd=4f/U=D

1.3.5.2 Phương trình dòng liên tục

Chất lỏng chảy trong ống thoả mãn các điều kiện sau:

- Không bị rò rỉ qua thành ống hay chỗ nối ra ngoài

- Chất lỏng thực không chịu nén ép nghĩa là ρ =const khi nhiệt độ t=const

- Chất lỏng chảy choán đầy ống, không bị đứt đoạn, không có bọt khí

Khi đó ta xét đoạn ống có tiết diện thay đổi 1-1, 2-2, 3-3, bên trong có chất lỏng chảy qua với vận tốc w thay đổi do tiết diện thay đổi, nhưng theo định luật bảo toàn vật chất thì: lượng vật chất chảy qua mỗi tiết diện cắt ngang f của ống trong một đơn

vị thời gian là không đổi, nghĩa là [18]:

Q1=Q2=Q3=const Hay f1w1=f2w2=f3w3 =const

Hay

Hình 13: Mô hình dòng liên tục 1.3.6 Chế độ phối trộn

Có thể mô tả phối trộn như biện pháp kết hợp các thành phần độ nhớt khác nhau và/hoặc tỷ trọng khác nhau để tạo ra một chất có các tính chất đồng đều, không thay đổi theo thời gian

Khi kết hợp các dung dịch hoặc các thể huyền phù để tạo ra chất đồng nhất liên tục thì độ nhớt của các dòng tới và độ nhớt cuối cùng của hỗn hợp sẽ quyết định đặc tính của quá trình khuấy phải áp dụng Lưu lượng trong toàn hệ thống là yêu cầu đầu tiên vốn đòi hỏi sử dụng các bộ cánh khuấy dòng chảy theo hướng trục ở các hệ có độ nhớt thấp