Rudolf Diesel công nhận rằng các sản phẩm phụ dầu khí lỏng có thể làm nhiên liệu động cơ tốt hơn so với bụi than, và ông bắt đầu thử nghiệm với một trong số chúng.. Các loại động cơ dies
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƯ NHIÊN
KHOA HÓA
SEMINAR MÔN HỌC
HÓA HỌC DẦU MỎ
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Phương Phong
Sinh viên Thực Hiện:
Võ Thị Kim Thư MSSV: 0814215
Huỳnh Văn Thành MSSV: 0814197
Võ Xuân Nam MSSV:0814127
Trang 2I Lời mở đầu
Vào năm 1859, dầu thô được phát hiện ở Pennsylvania Sản phẩm đầu tiên được tinh chế từ dầu thô là dầu hỏa Bởi vì chỉ có một phần dầu thô làm đèn dầu tốt Các nhà máy lọc dầu bắt đầu tìm ra những kỹ thuật mới để có thể điều chế được hết các sản phẩm còn lại dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của động cơ đốt trong vào cuối thế kỷ XVIII
Rudolf Diesel công nhận rằng các sản phẩm phụ dầu khí lỏng có thể làm nhiên liệu động cơ tốt hơn so với bụi than, và ông bắt đầu thử nghiệm với một trong số chúng Sự thay đổi nhiên liệu cùng với một số thay đổi thiết kế cơ khí đã cho ra đời thành công một động cơ đầu tiên chạy bằng diesel vào năm 1895 Ngày nay, cả động cơ và nhiên liệu đều mang tên ông
Động cơ diesel đầu tiên mang tính thương mại lớn và hoạt động ở tốc độ thấp Chúng được sử dụng cho tàu điện, xe lửa và các nhà máy công nghiệp Đến năm 1930, động cơ diesel cũng được cung cấp năng lượng cho xe tải và xe buýt Một nỗ lực vào cuối những năm 30 để mở rộng việc sử dụng diesel của động
cơ xe ô tô chở khách đã bị gián đoạn bởi chiến tranh thế giới thứ II Sau chiến tranh, động cơ diesel ôtô chở khách trở nên rất phổ biến ở Châu Âu, nhưng không đạt được thành công tương đương như ở Hoa Kỳ
Ngày nay, động cơ diesel được sử dụng trên toàn thế giới cho giao thông vận tải, sản xuất, phát điện, xây dựng và nông nghiệp Các loại động cơ diesel cũng đa dạng như mục đích sử dụng của chúng, động cơ phun gián tiếp tốc độ cao, tốc độ thấp, tiêm trực tiếp với các xi-lanh có đường kính một mét Thành công của
nó xuất phát từ hiệu quả, và độ tin cậy cho nền kinh tế
II Nhiên liệu Diesel
1. Dầu Diesel (Diesel Oil)
Trang 3a Giới thiệu Dầu Diesel
Dầu Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, được tinh chế từ dầu mỏ có thành phần chưng cất nằm giữa dầu hoả (kesosene) và dầu bôi trơn (lubricating oil) Chúng chứa các Hydrocarbon có nhiệt độ sôi từ 200-350oC, chứa nhiều n-parafin Các nhiên liệu Diesel nặng hơn, với nhiệt độ sôi 315 – 425oC còn gọi là dầu Mazut (Fuel oil)
Dầu Diesel (DO – Diesel Oil) nặng hơn dầu hỏa và xăng, sử dụng chủ yếu cho động cơ Diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…)
b Đặc tính của Dầu Diesel
• Chỉ số cetan
Trị số cetan là một đại lượng quy ước đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của dầu diesel Quy trình xác định của hệ số cetan hầu như giống với quy trình xác định hệ số octan của xăng Hệ số cetan được xác định bằng cách so sánh mẫu nhiên liệu cần thử với một vài loại nhiên liệu tiêu chuẩn
Lượng cetan (%) trong nhiên liệu chuẩn có cùng khả năng bốc cháy như nhiên liệu cần kiểm tra sẽ chỉ ra hệ số cetan của nhiên liệu cần kiểm tra Nhiên liệu chuẩn là hỗn hợp của cetan và nhiên liệu khác, là α-methylnaphthalen hay Heptamethylnonan
Hệ số cetan của một số chất được liệt ra như sau:
- Cetan(n-hexadecan): 100, đốt cháy tốt
- α-methylnaphthalen: 0, cháy kém
- Heptamethylnonan: 15
Ví dụ: một nhiên liệu với số cetan là 40 sẽ thực hiện tương tự trong động cơ như là một sự pha trộn của hỗn hợp gồm 40% n-hexadecane và 60% α-methylnaphthalen
• Hàm lượng Hydrocarbon thơm
Hydrocarbon thơm là hợp chất có chứa một hoặc nhiều vòng benzene trong cấu trúc Hợp chất chứa nhiều hydrocarbon thơm làm khả năng tự đánh lửa kém và tạo nhiều bụi than trong khi đốt
Trang 4Hydrocarbon thơm tự bắt lửa kém, nếu dầu diesel chứa hàm lượng hydrocarbon thơm cao thì số cetan thấp Các giá trị cetan cho động cơ diesel chạy đường dài trong khoảng 50-55, đối với dầu diesel rất thơm thường 40-45 thậm chí thấp hơn Dầu này khó khởi động khi trời lạnh và tạo ra tiếng ồn khi đốt cháy, hydrocarbon và NOx gây nên sự bắt lửa kém
Sự tăng tính thơm cũng có liên quan tới sự phát ra các hạt phóng xạ cao Hydrocarbon thơm tạo ra nhiều bụi than khi đốt và sự đốt cháy tệ cũng cũng làm tăng các hạt phóng xạ SOF
• Dễ biến động
Dầu diesel chứa một hỗn hợp của các hydrocarbon với khối lượng phân tử
và nhiệt độ sôi khác nhau Thực tế này để mô tả phạm vi của hydrocarbon trong nhiên liệu dưới dạng của một "đường cong chưng cất", nhiệt độ được xác định mà tại đó 10%-20% của các hydrocarbon đã sôi, 10% điểm sôi thấp được là các hydrocarbon tương đối dễ bay hơi
2. Diesel sinh học (Biodiesel)
a Giới thiệu Biodiesel
Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ, mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật
Là một loại năng lượng sạch, mặt khác chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên
Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol
và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật
Tùy thuộc vào loại dầu và loại rượu sử dụng mà alkyl Ester có tên khác nhau:
Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (soy methyl Esters) Đây là loại Ester thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ
Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME (rapeseed methyl Esters) Đây là loại Ester thông dụng nhất được sử dụng ở châu Âu
Glycerin là sản phẩm của quá trình sản xuất diesel sinh học và có thể được
sử dụng cho các sản phẩm cá nhân hoặc ứng dụng đa dạng trong hóa học
Trang 5Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy máy Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”.Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi
Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu Phụng (lạc)
Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải Được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel và 95% Diesel) và B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel)
b Quá trình chuyển hóa Biodiesel
Ở bài seminar này chúng ta đề cập về bản chất biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ cá tra
100 kg dầu mỡ + 10 kg methanol → 100 kg biodiesel + 10 kg glycerol Phương trình phản ứng:
Trong đó R1, R2, R3 là các acid béo no hoặc không no chứa trong mỡ cá tra, dầu thực vật, các acid hữu cơ chiếm chủ yếu trong dầu mỡ động vật như
Trang 6Để thực hiện phản ứng chuyển hóa này cần có chất xúc tác như NaOH, hoặc KOH Vai trò của các chất xúc tác này rất quan trọng vì nó phản ứng với Methanol trước để tạo tiền chất cho phản ứng:
Phản ứng 1: Tạo Alkoxide: CH3 + NaOH CH3ONa + H2O
Trong môi trường có nước alkoxide phân ly tạo CH3O- và Na+, CH3O- ,tiếp tục thực hiện phản ứng tiếp theo
Phản ứng 2: Tạo Triglyceride amion
Phản ứng 3: Tạo diglyceride và tiếp tục cho các phản ứng dây chuyền tiếp theo để tạo ra monoglyceride, methyl ester và cuối cùng tạo glycerol methyl ester
Như vậy: trong quá trình này cứ 01 phân tử Triglyceride tác dụng với 03 phân tử CH3O¬H tạo ra 01 phân tử glycerol và 03 phân tử methyl ester (2)
c Ưu và nhược điểm
• Ưu điểm:
- Với môi trường:
Giảm lượng khí thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính
Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel)
Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SOX, hydrocarbon chưa cháy giảm đi đáng kể nên có lợi rất lớn đến môi trường và sức khoẻ con người
Không chứa HC thơm nên không gây ung thư
Trang 7Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85% - 88% trong nước sau 28 ngày)
Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất
Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ
- Về kỹ thuật
Biodiesel có chỉ số cetan cao hơn Diesel
Biodisel rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào
Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong tồn chứa và sử dụng
Biodiesel có tính bôi trơn tốt Ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra không khí, người ta hạn chế tối đa lượng S trong dầu Diesel Nhưng chính những hợp chất lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu Diesel Do vậy dầu Diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các chất phụ gia để tăng tính bôi trơn Trong thành phần của Biodiesel có chứa Oxi Cũng giống như
S, O có tác dụng giảm ma sát Cho nên Biodiesel có tính bôi trơn tốt
Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)
- Về kinh tế
Sử dụng nhiên liệu Biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường
nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị
sử dụng trong thực phẩm Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn
Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu Diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn
• Nhược điểm
Biodiesel có nhiệt độ đông đặc cao hơn Diesel một ít gây khó khăn cho các nước có nhiệt độ vào mùa đông thấp Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể
Trang 8Trở ngại lớn nhất của việc thương mại Biodiesel trước đây là chi phí sản suất cao Do đó làm cho giá thành Biodiesel khá cao, nhưng với sự leo thang giá
cả nhiêu liệu như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa
Hiện nay Biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ Đây là điều bất lợi vì năng suất thấp, khó ổn định được chât lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản ứng Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này là sử dụng quá trình sản xuất liên tục
III Khái niệm động cơ Diesel
1. Lịch sử phát triển
Ngày nay động cơ dầu(D) đã trở thành nguồn động lực chính hết sức chủ yếu của thế giới trên hầu khắp mọi lĩnh vực: phát điện, các máy tĩnh tại, tàu thủy,
xe ôtô vận tải…
Rudolf Diesel người Đức sinh năm 1858 đã phát minh ra động cơ Diesel Thời bấy giờ chỉ có 2 hãng lớn là CơRơp và MAN nhận thực hiện đồ án của ông Qua nhiều lần thí nghiệm thất bại, cuối cùng đến năm 1892 chiếc động cơ Diesel đầu tiên của thế giới ra đời Từ đó giới kỹ nghệ khắp nơi chú ý đến kiểu động cơ này và tranh nhau hợp tác với ông
Năm 1895 kiểu máy của ông đạt kết quả mỹ mãn, ông bán bản quyền sáng chế ở các nước Đức, Hungari, Thụy Sĩ và trở thành tỉ phú năm 1897 sau khi ký hợp đồng với Mỹ để khai thác động cơ này
Năm 1907: ra đời động cơ Diesel tàu thủy bốn thì
Năm 1911: ra đời động cơ Diesel hai thì và ông mất tích khi đang đi trên tàu đến Anh vào ngày 30/9/1913
Nhắc đến động cơ Diesel phải nhắc đến ông Robert Bosch(người Đức) đã phát minh ra bơm cao áp và kim phun nổi tiếng cùng biết bao kỹ sư khác đã và đang tiếp tục hoàn thiện loại động cơ này
Ngày nay động cơ Diesel được dùng phổ biến ở hầu hết mọi lĩnh vực, ngay
cả ở xe du lịch vì nó tiết kiệm nhiên liệu, công suất lớn,ít hư hỏng và giảm ô nhiễm môi trường
2. Cấu tạo tổng quát và nguyên lý làm việc
Trang 9Ra đời sớm nhưng động cơ diesel không phát triển như động cơ xăng do gây ra nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề được giải quyết và diesel này càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn
Về nguyên lý cơ học, động cơ diesel hoạt động đơn giản hơn động cơ xăng
Cả hai cùng sử dụng xi-lanh, piston, truyền năng lượng thông qua trục khuỷu và chia thành hai loại 2 thì và 4 thì Động cơ 2 thì thường sử dụng đa dạng từ xe loại nhỏ, máy xén cỏ đến tàu chở hàng Trong khi đó, động cơ 4 thì được sử dụng cho
xe hạng trung cần hiệu suất nhiên liệu tối đa như xe du lịch
a Động cơ Diesel bốn thì
• Cấu tạo
Một động cơ Diesel bốn thì có cấu tạo cơ bản giống động cơ xăng bốn thì, chỉ khác là ở động cơ Diesel không có hệ thống đánh lửa và bộ chế hòa khí mà hai
hệ thống này được thay thế bằng bơm cao áp và kim phun gắn ở nắp máy thay cho bugi
Ở động cơ Diesel còn có dạng buồng đốt đặc biệt được nố trí ở đỉnh piston hay nắp máy kết hợp với kim phun để tự đốt cháy nhiên liệu và tỉ số nén cao hơn động cơ xăng, thường khoảng 17-24:1
• Nguyên lý làm việc
Để hoàn thành một chu trình công tác động cơ Diesel bốn thì phải qua bốn giai đoạn
Thì hút: không khí lọc sạch được hút vào lòng xylanh nhờ sự chênh lệch áp suất trong và ngoài xylanh
Thì nén: không khí bị nén lại, áp suất trong xylanh lên tới 25-35 kg/cm2, nhiệt độ khoảng 500-600oC
Thì giãn nở, sinh công: nhiên liệu từ kim phun xịt dầu vào buồng đốt dưới dạng tơi sương, gặp nhiệt độ cao tự bốc cháy
Thì xả: khí cháy thoát ra ngoài
b Động cơ Diesel hai thì
• Cấu tạo
Trang 10Động cơ Diesel hai thì cũng gồm những chi tiết bộ phận giống như của động cơ Diesel bốn thì Nhưng có một số đặc điểm như:
Xung quanh vách xylanh khoảng 8/10 khoảng chạy trở xuống có khoét nhiều lỗ để nạp và quét gió
Trên nắp máy có 2 hoặc 4 xúpáp xả tùy loại động cơ
Một bơm quét được ráp bên hông động cơ để cung cấp khí nạp mới và quét khí xả ra ngoài
• Nguyên lý làm việc
Thì thứ nhất: nén-giãn nở
Thì thứ hai: xả- nạp
3. So sánh động cơ Diesel với động cơ xăng
a Về cấu tạo:
Cơ bản giống nhau, chỉ khác là động cơ Diesel không có bugi, bộ chế hòa khí và được thay bằng bơm cao áp và kim phun Tí số nén động cơ Diesel cao hơn động cơ xăng
b Về quá trình làm việc
xilanh
Hút hòa khí vào xilanh
nén áp suất từ 25-35 kg/cm2,
to=500-600oC
Nén hòa khí, cuối thì nén áp suất từ 10-15 kg/cm2,to=300-400oC
Giãn nở
(sinh công)
Nhiên liệu phun vào lòng xilanh tự bốc cháy
Hòa khí bốc cháy nhờ tia lửa điện ở bugi
Xả Khí cháy thoát ra ngoài Khí cháy thoát ra
ngoài
Trang 11c Ưu khuyết điểm của động cơ diesel so với động cơ xăng
• Ưu điểm
Hiệu suất thực động cơ Diesel =1.5 động cơ xăng
Dầu rẻ hơn xăng
Cùng một công suất thì động cơ Diesel ít hao nhiên liệu hơn động cơ xăng Dầu khó bốc cháy nên ít nguy hiểm hơn xăng
• Khuyết điểm
Cùng một công suất động cơ Diesel lớn và nặng hơn động cơ xăng
Động cơ Diesel khó sửa hơn động cơ xăng
Tốc độ động cơ Diesel không cao bằng động cơ xăng
Các chi tiết như bơm cao áp, kim phun cần phải chế tạo chính xác, giá thành cao
Trang 12IV Kết luận:
Nhiên liệu Diesel giúp nền kinh tế thế giới chuyển động Từ hàng tiêu dùng
di chuyển trên khắp thế giới, cho thế hệ năng lượng điện, tăng hiệu quả ở các trang trại, nhiên liệu diesel đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường các nền kinh tế toàn cầu và tiêu chuẩn sống
Mục đích sử dụng chính của nhiên liệu diesel hiện nay là:
Vận tải đường bộ
Chăn nuôi
Vận chuyển trong đường sắt
Vận tải
Sử dụng đường bộ (ví dụ, khai thác mỏ, xây dựng, và khai thác gỗ, ) Năng lượng điện
Vận chuyển quân sự
Việt Nam chúng ta đang gặp những khó khăn về nhiên liệu Giá dầu và khí đốt tăng liên tục Ngoài các sản phẩm dầu mỏ thì chưa có một nghiên cứu nào về biodiesel So với các nước, bây giờ chúng ta mới nói đến nhiên liệu sinh học thì đã quá muộn Tuy nhiên, theo PGS Chu Tuấn Nhạ, Chủ tịch Hội đồng Chính sách và Công nghệ Quốc gia thì “Dù muộn vẫn phải phát triển nhiên liệu sinh học”(26/10/2007) Trong sản xuất biodiesel, Việt Nam có nhiều thuận lợi, vì chúng ta có nhiều loại cây có dầu Loại cây mà cả thế giới “tín nhiệm“ như thầu dầu (giống Jatropha) thì Việt Nam không thiếu, bên cạnh đó còn có các cây có dầu như: gai dầu, sở, trẩu, cây đen, vừng, lạc, dừa nhưng cái khó là chúng ta chưa có một chủ trương đúng đắn, rõ ràng Cũng có tác giả đề xuất dùng cây dầu
mè Jatropha curcas, dùng mỡ cá ba sa để sản xuất nhiên liệu sinh học và theo tác giả Lê Võ Định Tường (2007), hiện đã có một số công ty của Pháp, Singapore đang có dự định hợp tác với Việt Nam trồng cây dầu mè, nhưng cần có những điều tra nghiên cứu thêm, bởi chi dầu mè có tới 175 loài mà ở Việt Nam chưa có một số liệu nào về loài có ưu thế về hàm lượng, chất lượng dầu