NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ETANOL NHẰM NÂNG CAO
HIỆU SUẤT SỬ DỤNG XĂNG
1.1. Xăng và các tính năng sử dụng cơ bản của xăng
Xăng là nhiên liêu lỏng nhẹ nhất của dầu mỏ, chủ yếu chứa các hydrocacbon
từ C
5
đến C
10
được sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ đốt trong của ôtô, xe
máy, máy bay. Đó là hỗn hợp pha trộn từ phân đoạn xăng chưng cất, xăng
cracking, xăng ankyl hoá, đồng phân hoá, reformat và condensat và một lượng nhỏ
các chất phụ gia. Người ta thường phân thành: xăng siêu hạng (premium gasoline),
xăng thường (regular gasoline). Xăng có nhiệt độ sôi trong khoảng 35
0
C – 195
0
C
(đôi khi 205
0
C). Nhu cầu về xăng trên thế giới khoảng trên 1 tỷ tấn/năm. Mỹ là
nước tiêu thụ xăng nhiều nhất (trên 300 triệu tấn/năm). Nước ta hàng năm tiêu thụ
5-6 triệu tấn xăng và càng ngày càng tăng.
1.1.1. Khả năng bốc hơi của xăng
Để quá trình cháy cho hiệu suất cao, hệ số sinh công lớn, xăng phải bốc hơi
hoàn toàn trước khi đánh tia lửa điện. Khả năng bốc hơi của xăng phụ thuộc chủ
yếu vào sự phân bố hydrocacbon theo nhiệt độ sôi, vào áp suất hơi bão hoà, nhiệt
hoá hơi của xăng và điều kiện môi trường làm việc của động cơ. Người ta đánh giá
khả năng bốc hơi của nhiên liệu theo hai chỉ tiêu chính [18]:
- Đường cong chưng cất ASTM
- áp suất hơi bão hoà Reid (RVP)
1.1.1.1. Đường cong chưng cất ASTM

– 50,5 + (T
sđ
- 50)/3 (1.1)
Thông thường điểm sôi đầu của xăng là 35
0
C – 40
0
C, T
10
khoảng 50
0
C –
60
0
C, người ta thường quy định T
10
không quá 70
0
C.
Đường cong chưng cất ASTM thường xác định theo tiêu chuẩn ASTM D86
hoặc TCVN 2698: 1995.
- Giá trị T
50
trên đường cong chưng cất ASTM quyết định chủ yếu chế độ làm
việc bình thường của động cơ sau khi khởi động. Xăng thường có T
50
nằm trong
khoảng 90 – 110
0
C. Nhưng quy định T

có phần khác nhau.
Đồ thị hình 1.1 cho thấy giá trị RVP thích hợp ở các nhiệt độ môi trường
khác nhau.
Do đó người ta thường quy định áp suất hơi bão hoà Reid của xăng phải nằm
trong khoảng 0,4 – 0,8 atm ( ~ 6 – 11,8 psi). áp suất hơi bão hoà Reid được xác
định ở 100 F (37,8
0
C) theo ASTM D4953 hay TCVN 5731: 2000. Khi pha các loại
xăng (distillat, reformat, crackat, isomerisat, alkylat,…) để sản xuất xăng thương
phẩm có thể tính toán gần đúng RVP của hỗn hợp theo công thức sau:
( ) ( )
∑
=
i
i
t
t
RVPMRVPM
(1.2)
Trong đó:
M
t
– tổng số mol của sản phẩm cần pha trộn
(RVP)
t
- áp suất hơi bão hoà của sản phẩm, psi
10 20 30 40 50
Nhiệt độ môi trường (
0
C)

Theo bảng 1.1 ta thấy, các ancol (đặc biệt là metanol và etanol) có tác dụng
làm tăng áp suất hơi bão hoà Reid của xăng khi pha trộn hơn hẳn các ete đã từng
dùng như MTBE hoặc ETBE.
1.1.1.3. Ẩn nhiệt bay hơi
ẩn nhiệt bay hơi của một chất lỏng là lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho chất
lỏng để hoá hơi một lượng nhất định (1kg, 1 mol) khi nhiệt độ không đổi. ẩn nhiệt
hoá hơi của chất lỏng càng lớn thì chất lỏng càng khó bay hơi. ẩn nhiệt bay hơi của
etanol là 201 kcal/kg lớn hơn ẩn nhiệt bay hơi của xăng (khoảng 78 kcal/kg). Có
nghĩa là etanol đòi hỏi cung cấp nhiều năng lượng hơn để hoá thành hơi. Có thể
suy ra rằng khả năng khởi động về mùa lạnh với động cơ dùng xăng etanol sẽ kém
hơn xăng thường. Tuy nhiên, nếu lượng etanol pha vào xăng không nhiều (10 –
20%) thì ảnh hưởng này không rõ rệt.
1.1.2. Một số đặc tính khác
1.1.2.1. Nhiệt cháy (nhiệt trị)
Nhiệt cháy (hay nhiệt trị) của nhiên liệu là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy
hoàn toàn một lượng xác định (1kg hay 1mol) nhiên liệu đó. Nhiệt trị của xăng
khoảng 41.900 – 44.300 kJ/kg. Trong lúc đó nhiệt trị của etanol là 30.648,6 kJ/kg.
Về mặt này, nhiệt đốt cháy etanol chỉ bằng khoảng 2/3 so với xăng. Như vậy dùng
etanol pha xăng sẽ làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp và làm giảm phần nào công suất
của động cơ. Tuy nhiên, nếu dùng xăng pha 10% etanol thì mức giảm nhiệt trị là
khoảng 3,5%. Để bảo đảm đủ năng lượng như xăng không pha etanol, lượng
gasohol (hỗn hợp của xăng và etanol) tiêu thụ có phần tăng thêm vài phần trăm.
1.1.2.2. Tính ổn định hoá học
Tính ổn định hoá học là tính chất không thay đổi thành phần hoặc những
biến hoá học trong khi bảo quản và sử dụng. Người ta đánh giá tính ổn định hoá
học thông qua hai chỉ tiêu:
- Độ ổn định oxy hoá: xác định theo TCVN 6778: 2000. Theo quy định, độ ổn
định oxy hoá ≥ 240 phút.
- Hàm lượng nhựa thực tế: xác định theo ASTM D381 hay TCVN 6593:
2000. Theo quy định này, hàm lượng nhựa thực tế ≤ 5 mg/100 ml xăng.

năng cháy điều hoà tốt là 2,2,4-trimetyl pentan, quen gọi là isooctan, được gán cho
trị số ON = 100. Trong lúc đó n-heptan, là chất cháy chống kích nổ kém, được gán
cho trị số ON = 0. Trị số ON của một nhiên liệu nào đó được xác định dựa vào sự
so sánh quá trình cháy của nhiên liệu đó với một loại nhiên liệu chuẩn được đốt
cháy trong động cơ tiêu chuẩn (theo ASTM D2699-95 hay ASTM D2700-95). Có
hai kiểu động cơ: kiểu thứ nhất có số vòng quay là 600 vòng/phút, kiểu thứ hai có
số vòng quay là 900 vòng/phút. Nếu dùng kiểu động cơ thứ nhất ta có phương
pháp nghiên cứu và trị số octan đo được gọi là trị số octan nghiên cứu (Research
octane number, RON), nếu dùng kiểu động cơ thứ hai ta có phương pháp động cơ
(Motor Octane Number, MON). Trị số octan nghiên cứu (RON) xác định theo
ASTM D2699-95, trị số octan động cơ xác định theo ASTM D2700-95. Trị số
MON thể hiện đặc tính của xăng khi sử dụng cho xe tốc độ cao hoặc xe có trọng tải
lớn. Trái lại, trị số RON thể hiện đặc tính của xăng dùng cho động cơ khi hoạt
động trên đường nội đô, có tốc độ thấp nhưng hay thay đổi tốc độ đột ngột. Cùng
một loại xăng thì trị số MON thường nhỏ hơn trị số RON. Hiệu số giữa (RON –
MON) càng nhỏ thì xăng có phẩm chất cháy điều hoà càng tốt, nghĩa là có thể
dùng để chạy với tốc độ thấp hoặc cao mà vẫn không gây ra hiện tượng kích nổ.
Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm trị số octan thông dụng (Popular
Octane Number, PON). Liên hệ giữa PON, MON và RON là PON = (MON +
RON)/2. Trên thị trường, với kí hiệu xăng A83, A92, A95 là chỉ trị số RON của
các loại xăng này, nghĩa là RON quy định không được nhỏ hơn 83, 92 và 95. Động
cơ làm việc với tỉ số nén cao tạo ra công suất lớn, đòi hỏi dùng loại xăng có trị số
octan cao. Mỗi loại động cơ muốn hoạt động tốt, không cháy kích nổ phải dùng
xăng phù hợp. Trên bảng 1.2 trình bày quy định tương quan giữa tỉ số nén của
động cơ và trị số octan của một số nước.
Bảng 1.2. Quan hệ giữa tỉ số nén và ON của vài nước.
Tên nước
Tỉ số nén của động cơ Trị số octan
Min Max Min Max
Pháp 7,8 10,5 80,5 98,0

i
biểu hiện sự sai lệch khỏi trạng thái lý tưởng khi hoà nhập vào
hỗn hợp. Trị số của K
i
có thể âm hay dương tuỳ thuộc vào đặc tính của từng cấu tử
trong hỗn hợp. Đối với các họ hydrocacbon có độ phân nhánh như nhau sẽ có K
i
như nhau.
Nếu hỗn hợp phức tạp hơn thì công thức tính trị số octan cũng phức tạp hơn
(phương trình 1.4).
( )
∑
+=
iii
CKONON *
(1.4)
Trong đó, các chú thích giống như công thức (1.3), riêng K
i
* là một hàm của
nồng độ các họ hydrocacbon khác nhau có trong hỗn hợp. Trị số các K
i
* biểu thị
tương tác giữa một cấu tử với môi trường tiếp nhận nó. Người ta nghiên cứu và
nhận thấy:
- Trong môi trường olefin-thơm: các n-parafin và isoparafin với các nhóm –
CH
3
có tác dụng tăng cường ON.
- Trong môi trường hydrocacbon thơm: các olefin và isoolefin với nhóm CH
3

ete,… là những oxygenate có bản chất khác nhiều so với hydrocacbon thì phải có
những thay đổi bổ sung để công thức tính cho kết quả phù hợp hơn. Trong trường
hợp này người ta đề xuất công thức sau:
( ) ( )
BAAB
RONXRONXRON )1(*. −+=
(1.6)
Trong đó:
RON
AB
– trị số octan của hỗn hợp A và B
RON
B
– Trị số octan của xăng B
(RON
A
)* - trị số octan của oxygenate A trong hỗn hợp (chứ không
phải của A nguyên chất), tức là đã tính đến hiệu ứng pha trộn (hình 1.3).
X - % thể tích của A trong hỗn hợp.
Hiệu ứng pha trộn có thể làm tăng hoặc giảm RON của A nguyên chất (do
tác dụng tăng cường hay kìm hãm của môi trường tiếp nhận đối với phụ gia A).
(RON
A
)* không thể tính toán mà phải xác định bằng thực nghiệm, vì tuỳ bản chất
của xăng, tỷ lệ pha trộn của phụ gia mà RON
A
* (trị số octan pha trộn của A) có thể
rất khác nhau. Trên bảng 1.3 trình bày trị số octan của các oxygenate nguyên chất
và ở dạng pha trộn.
Bảng 1.3. Trị số octan của các oxygenate ở dạng nguyên chất và dạng pha trộn

C 44 Kpa
Độ nhớt (20
0
C) 1,19 cp
Sức căng bề mặt (20
0
C) 0,0223 N/m
Nhiệt bay hơi ( ở 78,3
0
C) 913,4 Kj/Kg
Nhiệt dung riêng (20
0
C) 2,48 Kj/Kg.độ
Nhiệt trị thấp 30648,6 Kj/Kg
Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu (Kg/Kg)
để đốt cháy nhiên liệu
9 : 1
1.2.2. Giới thiệu các công nghệ sản xuất etanol
Etanol có thể sản xuất từ các sản phẩm dầu mỏ (phương pháp tổng hợp hữu
cơ) hoặc từ các nguồn hyđrocacbon từ thực vật, ngũ cốc (phương pháp sinh học).
1.2.2.1. Etanol tổng hợp
Etanol tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp hoá học theo nhiều dây
chuyền công nghệ khác nhau. Trên thế giới có nhiều dây chuyền tổng hợp etanol,
trong đó phổ biến có hai loại điển hình:
- Công nghệ hyđrat hoá (hydration) khí etylen
- Công nghệ cacbonyl hoá (carbonylation) metanol bằng khí tổng hợp. Các
phương trình phản ứng như sau:
+ Hyđrat hoá etylen : CH
2
= CH

H
10
O
5
)
n

 →
OnH
2
n C
6
H
12
O
6 C
2
H
5
OH +2CO
2
+ Q
Tinh bột + amylaza -> đường + enzym -> Etanol
Tuỳ vào nguyên liệu ban đầu mà người ta dùng qui trình công nghệ thích
hợp để tăng hiệu suất và chất lượng sản phẩm cồn. Ví dụ, nhóm nghiên cứu Đại
học BKHN đã đề xuất một số qui trình công nghệ sản xuất cồn như sau [11]:
a)

mg N/l, men khô 10g/100l dịch)
(bổ sung (NH
4
)
3
PO
4
với tỉ lệ 690 mg N/l,
men khô 10g/100l dịch)
(độ rượu đạt khoảng 10%V), hiệu
suất lên men 84%)
Hình 1.2: Sơ đồ lên men liên tục sản xuất etanol từ rỉ đường
b)
Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ tinh bột
Sắn
Nghiền
Dịch hòa tan
Đun sôi
Làm nguội
Lên men
Giấm chua
(nhiệt độ 90
0
C, trong 30 phút,
Ternamyl 160ml/1 tấn tinh bột)
(thời gian là 60 phút)
(90
0
C, enzym AMG
0,065%, trong 30 phút)

Uỷ ban khoa học và
kỹ thuật nhà nước
Viện tiêu chuẩn
ETANOL (Cồn) tinh chế
Phương pháp thử
TCVN 1051 -71
Tiêu chuẩn này áp dụng cho êtylic (cồn) tinh cất, tinh khiết cao, sản xuất
bằng phương pháp lên men từ ngũ cốc, rỉ đường.
I. Yêu cầu kỹ thuật
1. Các chỉ tiêu cảm quan của êtylic phải theo đúng các yêu cầu quy định trong
bảng 1.
Bảng 1
Chỉ tiêu Yêu cầu
1. Dạng bên ngoài Chất lỏng trong suốt, không có tạp lạ
2. Màu sắc Không màu
3. Mùi và vị Có mùi đặc trưng cho êtylic sản xuất từ ngũ cốc hoặc rỉ
đường
2. Các chỉ tiêu hoá của êtylic phải theo đúng các yêu cầu quy định trong bảng 2.
Chỉ tiêu Mức
Loại 1 Loại 2
1. Hàm lượng Etylíc (độ cồn) ở 20
0
C, tính theo % thể
tích không bé hơn
96 95
2. Độ tinh khiết Không
màu
Vàng
nhạt
3. Thời gian ôxi hoá, tính bằng phút không nhỏ hơn 25 20

1.2.3. Các công nghệ điều chế etanol tuyệt đối (Etanol nhiên liệu)
Để có thể pha vào xăng (hoặc dầu diesel), etanol phải có hàm lượng cao
%)5,99(≥
. Etanol nồng độ cao, còn gọi là etanol tuyệt đối hoặc etanol nhiên liệu.
Etanol nhiên liệu được sản xuất bằng cách tách nước khỏi etanol công nghiệp (hàm
lượng etanol 95-96%) để thu được etanol có hàm lượng
%99
≥
. Trong công nghiệp
thường dùng các công nghệ tách nước sau đây :
• Chưng cất đẳng phí
• Thẩm thấu qua màng (công nghệ màng)
• Công nghệ rây phân tử
• Công nghệ kết hợp thẩm thấu qua màng và rây phân tử.
1.2.3.1.Công nghệ chưng cất đẳng phí
Cồn công nghiệp sở dĩ không thể đạt đến hàm lượng trên 99% etanol là vì
giữa etanol và nước tạo nên hỗn hợp đẳng phí gồm 96% etanol và 4% nước. Hỗn
hợp này có nhiệt độ sôi 78,15
0
C (P = 1 atm) thấp hơn nhiệt độ sôi của etanol
nguyên chất (C
2
H
5
OH có nhiệt độ sôi 78,3
0
C). Lượng nước này không thể tách
khỏi cồn bằng phương pháp chưng cất tách hai cấu tử thông thường. Để tách nước
khỏi hỗn hợp đẳng phí Etanol – nước người ta phải dùng một cấu tử thứ ba gọi là “
Entrainer” (cấu tử cuốn theo), cho vào hỗn hợp đẳng phí để phá điểm đẳng phí

C
Cồn 94-95%
Màng thẩm
thấu composit
Ngưng tụ
Nước thẩm thấu qua
màng
Sản phẩm
cồn 99%
• Hấp phụ pha lỏng (xem hình 1.6)
Hình 1.5. Sơ đồ hấp phụ cồn pha hơi
Thùng chứa
Thùng chứa
Điều khiển lưu
Điều khiển lưu
lượng dòng
lượng dòng
Bơm
Bơm
Thiết bị làm
Thiết bị làm
nguội
nguội
Tháp tách
Tháp tách
nước ngưng tụ
nước ngưng tụ
Thiết bị
Thiết bị
gia

Qua các công nghệ trên, người ta so sánh một cách sơ bộ như sau (Bảng 1.7)
Bảng 1.7. So sánh các công nghệ sản xuất etanol nhiên liệu
STT Công nghệ Giá đầu tư Năng lượng So sánh
1 Chưng cất đẳng phí 50% 100% -Tốn dung môi
-Vấn đề môi trường
2 Màng composit 100% 20% -Thu được cồn 99%
-Phức tạp
Nước
Etanol
94-95%
RPT
Etanol 99,8%
Nước + etanol
Nước thẩm thấu qua
màng
3 Rây phân tử 80% 50% - Thu được cồn 99,5%
- Đơn giản
4 Màng composit +
RPT
120% 30% - Thu được cồn 99,8%
- Đắt, phức tạp
1.3. Xăng pha etanol (gasohol)
Theo [9] [19] [16] [2] [3], từ hàng ngàn năm trước con người đã biết sản
xuất etanol để làm thực phẩm, nhưng chỉ đến thế kỷ 12 mới bắt đầu sản xuất etanol
sạch. Thời gian đầu người ta dùng etanol để pha vào rượu bia nồng độ 2-5%, sau
đó các loại rượu nặng có thể chứa đến 40% hoặc hơn hàm lượng etanol như rượu
vodka, whisky. Ngoài ra etanol còn được dùng làm mỹ phẩm, dung môi y tế, dung
môi sơn, Nhưng việc dùng etanol pha vào nhiên liệu (xăng, dầu diesel) chỉ mới
xuất hiện vào những năm đầu thế kỷ XX (khoảng năm 1907-1908). Đến những
năm 1920-1930 việc nghiên cứu sử dụng etanol nhiên liệu mới được tiến hành