1
LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp là những gì đúc kết lại sau một quá trình học tập, nghiên cứu của
sinh viên dưới sự hướng dẫn của các quý thầy cô. Sau ba tháng làm việc, em đã hoàn
thành đề tài. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng
dẫn giúp đỡ động viên tận tâm của quý thầy cô, của bố mẹ cũng như các anh chị em,
bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những năm học vừa qua, đặc
biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và bộ môn công nghệ chế biến dầu và khí. Trên hết
em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến cô TS. Nguyễn Thị Diệu Hằng đã hướng
dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Sau cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên giúp
em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua.
Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời chúc
tốt đẹp nhất.
Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là
điều khó tránh khỏi. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn
để đề tài được hoàn thiện hơn.
Đà Nẵng, ngày 27 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Trần Việt Quốc
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
2
MỤC LỤC
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
3
DANH MỤC BẢNG BIỂU
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
4
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ nói chung, ngành công
nghiệp dầu mỏ và khí cũng không nằm ngoài sự phát triển đó. Đây là một ngành công
nghiệp có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế thế giới, nó tạo ra một nguồn năng
lượng lớn cung cấp cho chúng ta. Ngành công nghiệp phát triển này ngày một tạo ra
nhiều hơn các sản phẩm dầu mỏ, đồng thời chất lượng của chúng cũng được nâng cấp
lên nhiều đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu kỹ thuật của các loại động cơ cũng như các
loại máy móc công nghiệp và dân dụng.
Với sản phẩm xăng nói riêng, xăng lấy từ phân đoạn xăng chưng cất trực tiếp thì
không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cần thiết, đặc biệt là chỉ số octan. Mà hiện nay
các nhà chế tạo động cơ không ngừng nâng cao công suất, chất lượng động cơ. Như
vậy chất lượng nhiên liệu dùng cho động cơ cũng phải được nâng lên cho phù hợp.
Động cơ càng có công suất cao thì tức là nó phải có tỷ số nén cao, động cơ có tỷ số nén
cao thì xăng phải có trị số octan cao mới đảm bảo được công suất của động cơ, để
nhiên liệu cháy tốt trong động cơ, cháy không bị kích nổ, cháy hoàn toàn, đảm bảo
được độ bền tuổi thọ cho động cơ. Vì vậy, để nâng cao chỉ số octan trong xăng, người
ta đã sử dụng nhiều biện pháp khác nhau như:
Dùng phương pháp hóa học: tức là áp dụng các phương pháp lọc dầu tiên tiến hiện
đại để biến đổi thành phần của xăng. Đó là các công nghệ cracking xúc tác,
reforming xúc tác, isome hóa, alkyl hóa Và để có được xăng thành phẩm thì
người ta phải pha trộn các loại xăng trên với nhau và pha thêm phụ gia.
Phương pháp dùng phụ gia: bản chất của phương pháp này là pha thêm các cấu tử
có chỉ số octan cao vào xăng để nâng cao chỉ số octan của xăng như: các phụ gia
chì (tetra etyl chì, tetra metyl chì), etanol, methyl tert- butyl ether (MTBE), etyl
tert- butyl ether (ETBE), tert- amyl metyl ether (TAME)…
Trong các phương pháp trên nếu dùng phụ gia chì thì có lợi là sẽ tăng được chỉ số
octan lên khá cao và có giá thành rẻ, tuy nhiên phụ gia chì là một chất rất độc hại và
hiện nay phụ gia này đã bị cấm không được sử dụng ở đa số các nước trên thế giới.
Dùng phương pháp chế biến là phương pháp cơ bản và lâu dài, tuy nhiên phải đầu tư
vốn ban đầu lớn, mặc dù vậy đây vẫn là biện pháp bắt buộc đối với các nhà máy lọc
ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA XĂNG
1.1Giới thiệu chung về các chất chứa oxy trong xăng:
Trong những năm 70, các chất chứa oxy trong xăng đã được nghiên cứu và phát
triển nhằm nâng cao chỉ số octan trong xăng và thay thế cho việc thêm chì vào nhiên
liệu xăng. Ngoài mục đích nâng cao chỉ số octan và thay thế các hợp chất chì độc hại
thì các hợp chất hữu cơ chứa oxy trong xăng còn làm tăng khả năng cháy hết của nhiên
liệu trong động cơ, giảm hàm lượng các chất độc hại trong khói thải. Mặc dù những
tiến bộ khoa học kỹ thuật đã cải tiến đông cơ rất tốt nhằm hạn chế phát thải khí thải
nhưng chất lượng xăng cũng là một mối quan tâm đặc biệt của vấn đề ô nhiễm không
khí. Các chất chứa oxy trong xăng là một trong những giải pháp tốt nhất để giải quyết
vấn đề ô nhiễm không khí do khói thải động cơ.
Các chất hữu cơ chứa oxy chứa nguyên tử oxy trong phân tử của nó, trong khi đó
quá trình cháy của nhiên liệu cần oxy nên sự có mặt của oxy trong nhiên liệu thúc đẩy
quá trình cháy hết nhiên liệu trong động cơ, nâng cao giá trị octan của nhiên liệu, giảm
thải khí độc ra môi trường không khí. Hai loại hợp chất oxy hoá thường thêm vào
nhiên liệu là alcol và ete.
Trong alcol, mỗi nguyên tử oxy gắn với một nguyên tử cacbon và một nguyên tử
hydro, là một dãy C-O-H. Alcol thường được sử dụng là methanol, ethanol và tert-
butyl alcohol (TBA). TBA có tính chất tốt cho nhiên liệu gần giống như MTBE.
Trong ete, mỗi nguyên tử oxy đươc gắn với hai nguyên tử cacbon theo một dãy C-
O-C. Các ete thường được sử dụng là methyl tert- butyl ether (MTBE), etyl tert- butyl
ether (ETBE), tert- amyl metyl ether (TAME)…
Các chất chứa oxy trong xăng được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác
nhau. Methanol thu được chủ yếu từ khí thiên nhiên, là nguồn nguyên liệu dùng để sản
xuất hợp chất hữu cơ chứa oxy, như MTBE. Hợp chất hữu cơ khác, ethanol được thu
chủ yếu từ lên men các loại hạt ngũ cốc và các sản phẩm nông nghiệp khác, nó là
nguồn nguyên liệu dùng để bổ sung trực tiếp vào nhiên liệu xăng hay dùng để sản xuất
ETBE.
Trong những phối liệu tạo xăng chứa oxy này thì MTBE là một trong những sự lựa
chọn hiệu quả nhất bởi vì các tính chất vật lý, hóa học và tính chất nhiệt của nó như
Tỉ trọng:
Tại 15/4
o
C:
Tại 20/4
o
C:
Tại 25/4
o
C:
Tại 30/4
o
C:
0,7456
0,7404
0,7352
0,7299
Nhiệt độ sôi
o
C 55,0
Nhiệt độ kết tinh
o
C -108,6
Tỉ trọng hơi (không khí = 1) g/cm
3
3,1
Độ hòa tan MTBE trong nước ở 25
o
C % khối lượng 5,0
Độ hòa tan nước trong MTBE ở 25
C cal/g.
o
C 0,51
Nhiệt hóa hơi, ở 25
o
C cal/g 81,7
Nhiệt trị cháy thấp cal/g 8400
Chỉ số octan hỗn hợp
(a)
RON
MON
(RON+MON)/2
117
101
110
12
Nguyên tử oxy trong MTBE còn có một cặp điện tử không chia và các gốc alkyl có
hiệu ứng dương làm cho MTBE có tính bazơ yếu.
Một số phản ứng của MTBE:
1.2.2.1Phản ứng với một số axit vô cơ mạnh:
MTBE phản ứng với một số axit vô cơ mạnh như HCl, H
2
SO
4
… tạo muối.
1.2.2.2Phản ứng với HI:
MTBE phản ứng với HI, sản phẩm phản ứng tùy vào nhiệt độ.
Ở điều kiện nhiệt độ thường:
Ở điều kiện nhiệt độ cao (đun nóng):
1.2.2.3Phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao:
octane value). Giá trị này được tính từ sự khác biệt giữa giá trị chỉ số octan của xăng
cơ sở được pha trộn một lượng MTBE và xăng cơ sở không có MTBE. Công thức tính
toán BOV:
Với:
ON = RON hoặc MON của hỗn hợp MTBE với xăng cơ sở
ON
base
= RON hoặc MON của xăng cơ sở
x = phần thể tích của MTBE trong hỗn hợp.
Phạm vi BOV của MTBE được đưa ra dưới đây. Phạm vi này được xác định từ một
lượng lớn các dữ liệu thực nghiệm thu được trong việc xây dựng các loại xăng khác
nhau nhưng vẫn nằm trong các giới hạn đặc điểm kỹ thuật [1].
RON trộn lẫn: 115-135
MON trộn lẫn: 98-110
(RON+MON)/2: 106,5-122,5.
Ảnh hưởng của MTBE và một số hợp chất chứa oxy khác lên một loại xăng cơ sở
đã được nghiên cứu bởi Tehran Oil Refinery Company, Iran [2]. Tính chất của xăng cơ
sở và các chất chứa oxy được cho ở bảng I-3 và I-4 [2].
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
14
Theo các nghiên cứu này, ảnh hưởng của MTBE và các chất chứa oxy đến chỉ số
octan của xăng cơ sở được khảo sát ở các hàm lượng khác nhau được thêm vào xăng
cơ sở. Hình I-1 và I-2 thể hiện sự ảnh hưởng đến RON và MON của xăng cơ sở khi
thêm 2,5%, 5%, 7,5%, 10%, 15%, 20% MTBE, methanol, tert-butyl alcohol (TBA),
tert- amyl acohol (TAA) [2].
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
15
Bảng I - 3 : Tính chất của xăng cơ sở được nghiên cứu bởi Tehran Oil Refinery
Company [2]
Tính chất Đơn vị Giá trị Phương pháp đo
o
C 206,6
Bảng I - 4 : Tính chất của MTBE và các hợp chất chứa oxy được khảo sát [2]
Tính chất Đơn vị MTBE MeOH TBA TAA
Công thức hóa học C
5
H
12
O CH
3
OH C
4
H
10
O C
5
H
12
O
Độ tinh khiết % 99 99,9 99 99
Hàm lượng oxy %m 18,2 49,9 21,6 22,4
Khối lượng phân tử g/mol 88,15 32,04 74,12 88,15
Tỉ trọng tại 16
o
C g/cm
3
0,744 0,792 0,788 0,805
Điểm chớp cháy
o
C -25,6 11 14 20,5
Áp suất hơi bão hoà là áp suất sinh ra khi một chất lỏng ở thể cân bằng với hơi của
nó tại một nhiệt độ nhất định.
Áp suất hơi Reid (RVP) là áp suất hơi bão hòa của mẫu thử chứa trong một bơm
tiêu chuẩn (bơm Reid) trong những điều kiện xác định, nhiệt độ 100
o
F (37,8
o
C) [4].
Như vậy, áp suất hơi bão hoà đặc trưng cho các phần nhẹ trong dầu thô cũng như
các phân đoạn dầu mỏ. Đối với nhiên liệu xăng thì giá trị này có ảnh hưởng lớn đến
khả năng khởi động của động cơ, khi giá trị này càng lớn thì động cơ càng dễ khởi
động. Nhưng nếu giá trị này lớn quá thì chúng sẽ gây mất mát vật chất và dễ tạo ra
hiện tượng nút hơi.
Ảnh hưởng của MTBE và các hợp chất chứa oxy khác đến RVP của xăng cỏ sở
được cho ở bảng I-1 và bảng I-2 được khảo sát tại 37,8
o
C và hàm lượng các chất chứa
oxy được thêm vào tương ứng là 2,5%, 5%, 7,5%, 10%, 15%, 20% thể tích. Kết quả
được thể hiện ở hình I-3 [2].
Áp suất hơi của MTBE thường thấp hơn các loại xăng thương mại điển hình. RVP
của MTBE tại 37,8
o
C là 53,8 kPa, trong khi đó theo TCVN 6776: 2005 thì RVP tại
37,8
o
C của xăng thương phẩm là 43-75 kPa [14]. Hướng thay đổi của RVP của xăng
có thể lên hoặc xuống, tùy thuộc vào áp suất hơi ban đầu của xăng cơ sở. Ngoài ra,
thêm MTBE vào xăng thì sẽ tận dụng thêm một lượng butan bổ sung vào xăng (butan
có chỉ số octan cao nhưng RVP cao nên được thêm vào với một lượng vừa phải). Do
đó tăng hiệu quả chi phí cho xăng.
Sự ổn định của các loại xăng có thể được đánh giá bởi sự hình thành của peroxit
trong quá trình lưu trữ. Việc kiểm tra quá trình ổn định oxy hóa lâu dài của các loại
xăng với 10% thể tích hỗn hợp MTBE được thực hiện ở nhiệt độ lưu trữ lên đến
43,3
o
C. Lưu trữ tại 43,3
o
C trong một khoảng thời gian 6 tháng có thể được coi là bằng
khoảng 2 năm lưu trữ ở nhiệt độ môi trường xung quanh (J. D. Chase, 1979). Kết quả
cho thấy rằng xăng chứa MTBE không tạo ra bất kỳ peroxit, trong khi đó xăng không
chứa MTBE lại tạo ra một số lượng đáng kể peroxit. Hỗn hợp MTBE- xăng có thể
được lưu trữ tối thiểu là 2 năm có sự bảo vệ chống oxy hóa phù hợp ngay cả khi phối
trộn với xăng cracking xúc tác nhẹ (light catalytically cracked gasoline- LCCG) không
ổn định. Sự ổn định oxy hóa của xăng với 10% thể tích MTBE được thực hiện theo
tiêu chuẩn ASTM D525 và đã không tìm thấy sự hình thành peroxit trong hơn của
1000 phút tại 100
o
C .
Các kết quả này đã chỉ ra rằng MTBE là ổn định trong quá trình xử lý và lưu trữ.
Tính ổn định trong lưu trữ đã được thử nghiệm sau 180 ngày và không nhận thấy có sự
khác biệt đáng kể của hàm lượng peroxit được tìm thấy giữa các xăng cơ sở (có 98/99
RON và olefin 15% thể tích) và xăng cơ sở có 15% thể tích MTBE đã qua thử
nghiệm(G. Marceglia, G. Oriani, 1982). Các nghiên cứu phòng thí nghiệm xác nhận
rằng peroxit không được hình thành với MTBE. Các thí nghiệm tiến hành tại môi
trường oxy 60psig và nhiệt độ 90C cho thấy chuẩn độ không có peroxide sau 15giờ.
Một thử nghiệm mở rộng được thực hiện trong khoảng thời gian 2 năm cho thấy không
có hình thành peroxit trong mẫu MTBE tiếp xúc với ánh sáng và không khí.
1.3.5 Độ hòa tan và hấp thụ nước:
MTBE tan ít trong nước, 5% khối lượng ở 25
o
chì (TEL) vào xăng cơ sở với nồng độ chì trong xăng đạt mức tối đa cho phép tại Ả-
rập Xê-út lúc đó là 0,4 g Pb/l. MTBE được pha trộn với xăng cơ sở theo ba tỷ lệ: 10,
15 và 20% thể tích. Độ tinh khiết của MTBE là 98,71% khối lượng. Bảng I-5 là một
vài tính chất của MTBE và các loại xăng thử nghiệm [18].
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
23
Bảng I - 5 : Tính chất của MTBE và các loại xăng thử nghiệm [18].
Tính chất nhiên liệu
MTB
E
Xăng
cơ sở
Xăng
pha chì
MTBE
10
MTB
E
15
MTBE
20
Tỉ trọng tại 15,56
o
C 0,7461 0,7697 0,7717 0,7638 0,7633 0,7628
Áp suất hơi Reid, kPa 61,2 35,0 33,6 41,0 41,6 42,4
RON 116 84,7 92 87,9 89,8 91,7
Ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/kg 340 350 350 349 349 348
Phần trăm khối lượng oxy 18 0 0 1,77 2,66 3,55
Nhiệt trị thấp, MJ/kg 35,2 44 44 43,144 42,715 42,283
Cân bằng hóa học:
C (±2°C), nhiệt độ phòng thử nghiệm được
giữ tại 25
o
C (±2°C). Áp suất khí quyển trong phòng ghi lại dao động từ 99,4 đến 100,9
kPa.
Các bước kiểm tra:
Phát thải khí thải được đo ở các điều kiện khác nhau nằm trong khoảng phạm vi
hoạt động thực tế của động cơ ô tô bình thường. Những ảnh hưởng của các biến hoạt
động có ảnh hưởng nhất đến phát thải CO, HC và NO
x
đã được kiểm tra. Các biến này
là độ giàu, thời gian đánh lửa, tốc độ và tải trọng động cơ. Phát thải khí thải cũng đã
được đo ở tốc động nghỉ.
Ảnh hưởng của độ giàu (ф) đến phát thải khí thải được đánh giá ở một tốc
độ động cơ không đổi 2000 rpm, tải trọng 680 kPa, và thời điểm đánh lửa MBT.
Trong những thử nghiệm này, độ giàu dao động từ hỗn hợp nghèo là 0,8 đến hỗn hợp
giàu là 1,2.
Ảnh hưởng của thời gian đánh lửa đến phát thải CO, HC, NO
x
được đánh giá ở tốc
độ không đổi 2000 rpm, tải trọng 680 kPa, và hỗn hợp cân bằng hóa học (ф=1). Trong
những điều kiện này, thời điểm đánh lửa được điều chỉnh trong khoảng góc đánh lửa
sớm 10° đến góc đánh lửa sớm 35
o
.
Những ảnh hưởng của tốc độ động cơ và tải trọng động cơ đến phát thải CO, HC,
NO
x
cũng được đánh giá. Trong suốt các thử nghiệm tốc độ và tải trọng, động cơ hoạt
động với một hỗn hợp cân bằng hóa học (ф=1) và thời điểm đánh MBT. Các thử
Ảnh hưởng của tốc độ và tải trọng động cơ đến phát thải CO.
Kết quả phát thải CO khi thay đổi tốc độ động cơ cho các hỗn hợp thử nghiệm tại
một tải trọng không đổi là 340 kPa và 850 kPa được thể hiện trong các hình I-7 và I-8
[18]. Việc giảm lượng phát thải CO do thêm MTBE có thể nhận thấy trong toàn bộ
phạm vi tốc độ và tải trọng. Ngoài ra các kết quả cũng cho thấy rằng nồng độ phát thải
CO tăng khi tốc độ động cơ tăng ,trong nhiều trường hợp, sự gia tăng này gần tuyến
tính với tốc độ động cơ.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Diệu HằngSVTH: Trần Việt Quốc
Copyright: Tài liệu đại học ©