Nghiên cứu về quá trình tách pha của xăng pha cồn và biện pháp khắc phục

1. Giới thiệu Mặc dù Ethanol và Metanol đều hoà tan hoàn toàn trong nước; tuy nhiên độ hoà tan của chúng trong nhiều loại xăng phụ thuộc vào cả nhiệt độ và thành phần của xăng. Quá trình pha trộn Metanol hoặc Ethanol vào xăng dẫn đến tạo nên hỗn hợp có các tính chất khác với xăng chưa pha trộn. Bên cạnh đó, nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn xăng thông thường. Khi pha cồn với lượng nhỏ hơn 20% thì sẽ góp phần:  Tăng trị số Octan và áp suất hơi trong xăng pha trộn;  Giảm nhiệt độ các thành phần cất của hỗn hợp xăng pha cồn;  Giãn nở một lượng thể tích nhỏ. Xăng pha cồn rất nhạy với sự có mặt một lượng nhỏ nước, thậm chí tại nhiệt độ phòng. Vì Ethanol và Metanol phân cực mạnh nên các phân tử này hoạt động mạnh và kết hợp với các phân tử nước nhờ liên kết hydro. Kết quả của quá trình này là xăng pha cồn bị tách ra làm 2 pha. Pha bên trên chủ yếu là các hydrocacbon parafin; pha bên dưới gồm chủ yếu là rượu, nước và một lượng nhỏ các hydrocacbon thơm. 10 Xăng được pha trộn với phụ gia oxi hoá đều liên quan tới quá trình tách pha nước. Nước trong xăng có thể tác động khác nhau đến động cơ phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt nó trong dung dịch hay trong pha tách, và còn phụ thuộc vào từng loại động cơ. Quá trình tách nước trong nhiên liệu có thể gây tổn hại đến động cơ; một lượng nhỏ nước trong xăng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ phận của động cơ. Nếu có sự phòng ngừa nước lọt vào hệ thống nhiên liệu thì quá trình tách nước sẽ bị hạn chế rất nhiều. Quá trình tách pha của nhiên liệu pha cồn có thể dẫn đến sự đóng băng trong đường ống dẫn nhiên liệu và làm giảm độ linh động của nhiên liệu. Đối với các động cơ nhạy với nhiên liệu (FFVs) thì sự có mặt nước trong hỗn hợp nhiên liệu có thể làm cho bộ phận điều khiển (sensor) hoạt động không bình thường, ảnh hưởng xấu đến độ linh động của nhiên liệu. 33 Vì vậy việc nghiên cứu quá trình tách pha và các biện pháp chống tách pha của nhiên liệu pha cồn là rất quan trọng trong công nghệ chế tạo nhiên liệu sạch.

Nghiên cứu về quá trình tách pha của xăng pha cồn và biện pháp khắc phục

1 Giới thiệu

Mặc dù Ethanol và Metanol đều hoà tan hoàn toàn trong nước; tuy nhiên độ hoà tan của chúng trong nhiều loại xăng phụ thuộc vào cả nhiệt độ

và thành phần của xăng Quá trình pha trộn Metanol hoặc Ethanol vào xăng dẫn đến tạo nên hỗn hợp có các tính chất khác với xăng chưa pha trộn Bên cạnh đó, nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn xăng thông thường Khi pha cồn với lượng nhỏ hơn 20% thì sẽ góp phần:

 Tăng trị số Octan và áp suất hơi trong xăng pha trộn;

 Giảm nhiệt độ các thành phần cất của hỗn hợp xăng pha cồn;

 Giãn nở một lượng thể tích nhỏ.

Xăng pha cồn rất nhạy với sự có mặt một lượng nhỏ nước, thậm chí tại nhiệt độ phòng Vì Ethanol và Metanol phân cực mạnh nên các phân tử này hoạt động mạnh và kết hợp với các phân tử nước nhờ liên kết hydro Kết quả của quá trình này là xăng pha cồn bị tách ra làm 2 pha Pha bên trên chủ yếu là các hydrocacbon parafin; pha bên dưới gồm chủ yếu là rượu, nước và một lượng nhỏ các hydrocacbon thơm [10]

Xăng được pha trộn với phụ gia oxi hoá đều liên quan tới quá trình tách pha nước Nước trong xăng có thể tác động khác nhau đến động cơ phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt nó trong dung dịch hay trong pha tách, và còn phụ thuộc vào từng loại động cơ Quá trình tách nước trong nhiên liệu có thể gây tổn hại đến động cơ; một lượng nhỏ nước trong xăng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ phận của động cơ Nếu có sự phòng ngừa

nước lọt vào hệ thống nhiên liệu thì quá trình tách nước sẽ bị hạn chế rất nhiều.

Quá trình tách pha của nhiên liệu pha cồn có thể dẫn đến sự đóng băng trong đường ống dẫn nhiên liệu và làm giảm độ linh động của nhiên liệu Đối với các động cơ nhạy với nhiên liệu (FFVs) thì sự có mặt nước trong hỗn hợp nhiên liệu có thể làm cho bộ phận điều khiển (sensor) hoạt động không bình thường, ảnh hưởng xấu đến độ linh động của nhiên liệu [33]

Vì vậy việc nghiên cứu quá trình tách pha và các biện pháp chống tách pha của nhiên liệu pha cồn là rất quan trọng trong công nghệ chế tạo nhiên liệu sạch.

2 Ảnh hưởng của quá trình pha cồn vào xăng

2.1 Tăng trị số Octan

Các Alcol và ete hầu hết đều có trị số Octan cao hơn xăng (bảng 12).

Bảng 12 Trị số Octan của xăng và các phụ gia Oxygen

Hợp chất Trị số Octan, (R + M)/2

Khi các Alcol và ete được trộn vào xăng thì sẽ góp phần tăng ON của xăng pha trộn Do đó, xăng pha cồn có ON cao hơn xăng thông thường Metanol có ON là 108; còn Ethanol là 106 Khi sử dụng 10% Ethanol thì sẽ làm tăng ON của xăng từ 2,5 ÷ 3 đơn vị Ảnh hưởng của Ethanol đến 4 loại xăng: chưng cất trực tiếp, Cracking nhiệt, Cracking xúc tác và xăng Polyme

hoá (xăng trùng hợp) được thể hiện trong hình 1 [18]

Hình 1 Độ tăng trị số Octan của một vài loại xăng pha trộn Ethanol

2.2 Giảm nhiệt cháy

Vì nhiệt cháy của Ethanol là 76.000 Btu/gallon và chỉ bằng khoảng 2/3 so với xăng (109.000 ÷ 119.000 Btu/gallon) nên khi pha cồn vào xăng

thì nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn so với xăng thông thường (bảng 13) [28].

Bảng 13 Nhiệt cháy của xăng pha Ethanol

Phần trăm thể tích Nhiệt cháy, Tỉ lệ nhiệt cháy so với xăng

thông thường

100 90 80 70 60 50 40

0 5 10 15 20 25

100 90 80 70 60 50 40

0 5 10 15 20 25

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp động cơ

Phần trăm Ethanol trong nhiên liệu, %TT

Xăng trùng hợp Cracking xúc tác Xăng Cracking nhiệt

Xăng chưng cất trực tiếp

Xăng trùng hợp Cracking xúc tác Xăng Cracking nhiệt

Xăng chưng cất trực tiếp

Ethanol (99,5%) Xăng (100%)

Chú thích: 1 gallon = 4,546 l (Anh) và = 3,785 l (Mỹ).

1 Btu = 2,930.10-4 KWh = 0,293 Wh = 1,055 KJ =1,055.10-3J

Do sự giảm nhiệt cháy trên 1 đơn vị diện tích nên đòi hỏi cần gia tăng tốc độ nạp liệu để đảm bảo sự hoạt động của động cơ được bình thường Khi

đó, nhiệt cháy của nhiên liệu trên 1 đơn vị diện tích phụ thuộc vào tỉ lệ đương lượng giữa không khí và nhiên liệu Do đó, nếu xăng pha cồn với hàm lượng cao được thay thế cho xăng thông thường trong động cơ xe mô tô thì cần phải duy trì tỉ lệ không khí phù hợp cho quá trình cháy.

2.3 Quá trình tách pha của xăng pha phụ gia Oxygen

Các nhiên liệu pha hợp chất chứa ôxy thường chứa Ethanol và MTBE; ngoài ra còn có các hợp chất khác như ETBE, TAME, TBA Về mặt hóa lý, Ethanol và MTBE có sự khác nhau Ví dụ: Ethanol hoà tan dễ dàng trong nước và có thể tan vô tận vào nước Trong khi đó, MTBE rất ít tan với nước (cỡ 4,3% thể tích- tại nhiệt độ phòng) Do đó, xăng pha trộn Ethanol có thể hoà tan nước nhiều hơn xăng thông thường; trong khi đó xăng pha MTBE hoà tan nước như xăng thông thường.

Vì Ethanol hoà tan nhanh chóng vào nước nên khi Ethanol được sử dụng làm tăng ON cho xăng; nước sẽ hoà tan trong xăng pha trộn nhiều hơn

trong xăng thông thường Khi hàm lượng nước có trong xăng lớn hơn mức hoà tan cực đại thì nước sẽ tách ra khỏi hỗn hợp Lượng nước yêu cầu (so với % thể tích tổng thể) cho quá trình tách pha này xảy ra phụ thuộc vào

nhiệt độ (được thể hiện trong hình 6) Ví dụ: ở nhiệt độ 600F (xấp xỉ 160C), nước có thể bị hấp thụ trong xăng pha trộn chứa 90% xăng và 10% Ethanol

và hàm lượng này có thể đạt tới 0,5% thể tích trước khi bị tách pha

Hình 2 Hàm lượng nước cho phép trong xăng pha 10% Ethanol

MTBE có ái lực với nước kém hơn so với Ethanol nên quá trình tách pha trong xăng pha MTBE dễ xảy ra với một lượng nhỏ nước

Nước có thể vào động cơ bằng hai con đường: Nước có sẵn trong nhiên liệu hoặc do quá trình tách pha từ xăng Nước trong dung dịch đóng vai trò là chất trơ trong quá trình cháy và được thải ra ngoài bằng hệ thống

xả Sự tác động của nước trong dung dịch đến xăng động cơ làm giảm tính kinh tế của nhiên liệu Do đó, một lượng nước lớn sẽ ngăn cản sự hoạt động của động cơ, gây tổn hại cho động cơ.

0,2 0,3 0,4 0,5

0,6

Nhiệt độ, F

t độ, 0 F

Đối với xăng pha cồn thì quá trình tách nước sẽ gây tổn hại cho động

cơ hơn xăng thông thường và xăng pha MTBE.

Xăng pha trộn với các hợp chất chứa ôxy có thể chứa nước nhiều hơn xăng thông thường; thậm chí đủ lượng nước ngưng tụ từ không khí để dẫn đến quá trình tách pha xăng – nước Nước có thể vào xăng bằng con đường khác là từ quá trình hấp thụ hơi nước từ không khí Nước ở trạng thái hơi có thể hoà tan trong xăng Không khí có độ ẩm càng cao thì càng dễ hoà tan vào trong xăng Ví dụ: ở nhiệt độ không đổi là 1000F và độ ẩm là 100% thì phải mất trên 200 ngày để bão hoà 1 gallon xăng (giả sử nước chỉ lấy từ hơi nước trong không khí) Quá trình hấp thụ nước từ không khí thấp ở nhiệt độ

và độ ẩm thấp: tại nhiệt độ 700F và độ ẩm 70% thì phải mất 2 năm để bão hoà 1 gallon xăng thông thường [10].

3 Nghiên cứu quá trình tách pha của xăng pha cồn

Sự hoà tan của Metanol và Ethanol trong xăng với sự có mặt một lượng nhỏ nước là có giới hạn Thậm chí ngay tại nhiệt độ phòng, chỉ cho phép tối đa 1 ÷ 2% nước trong hỗn hợp chứa từ 25 ÷ 40% cồn trước khi xảy

ra quá trình tách pha; đặc biệt ở nhiệt độ và hàm lượng thấp thì đòi hỏi

lượng nước ít hơn (xem hình 3) [16].

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

35%

30%

25%

20%

15%

10%

5%

Ethanol

Hình 3 Hàm lượng nước cho phép xăng pha Ethanol

4 Các phương pháp khắc phục quá trình tách pha

Có hai phương pháp chính để khắc phục quá trình tách pha:

4.1 Phương pháp bảo quản

Trong bất kỳ loại xăng nào cũng cần đề phòng quá trình tách pha Xăng không nên được tồn trữ trong một thời gian dài; đặc biệt với sự thay đổi của các mùa trong năm kết hợp với sự thay đổi khoảng nhiệt độ rộng Nếu các bồn chứa xăng trong một thời gian dài thì các bồn chứa phải đầy bể

để ngăn ngừa sự ngưng tụ nước có trong không khí; bên cạnh đó cần phải thêm các chất ổn định hoá học, chất ức chế bay hơi

4.2 Phương pháp sử dụng phụ gia

Bên cạnh phương pháp bảo quản trên, việc sử dụng các loại phụ gia hoá học để chống lại sự tách pha đã được nghiên cứu rộng rãi và được áp dụng thành công Các loại phụ gia phổ biến nhất là các rượu đồng dung môi (C3 ÷ C12), các chất hoạt động bề mặt không điện ly và các chất hoạt động bề mặt axit béo dạng anion Trong số các loại rượu đồng dung môi, rượu mạch thẳng có hiệu quả hơn rượu mạch nhánh và khả năng của chúng tăng theo chiều dài mạch cacbon Nhiều nghiên cứu đã đưa ra các hợp chất như i-propanol, i-butanol, n-decanol, axit palmitic, fusel oil (FO) và được coi là những chất ức chế quá trình tách pha có hiệu quả nhất [33] Theo báo cáo

của Trường Đại Học Công Nghệ Istanbul (Thỗ Nhĩ Kỳ) tháng 4/1996 đã chỉ

ra rằng FO có hiệu quả cao trong việc làm giảm hiện tượng tách pha và làm tăng lượng nước hoà tan trong hỗn hợp Ethanol/xăng không chì Đối với các nước có nguồn nguyên liệu mía đường dồi dào như Braxin, Ấn Độ, thì thường sử dụng FO làm tác nhân chống tách pha (FO là sản phẩm phụ của quá trình lên men đường trong sản xuất Ethanol) [14,29]

Bên cạnh đó cần đưa thêm các chất ức chế ăn mòn động cơ để ngăn chặn các tác động gây ăn mòn của nước.

Bảng 14 Các chất ức chế ăn mòn được pha vào hỗn hợp Ethanol/xăng

(bảng Anh/1000 thùng Ethanol)

ENDCOR FE-9730 (formerly Betz ACN13) 20

Chú thích: 1 thùng ≈ 150 l.