CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ XĂNG Ở VIỆT NAM 1. Thành phần và tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng.1 Xăng Xăng là một chất lỏng dễ cháy có nguồn gốc từ dầu mỏ, được sử dụng làm nhiên liệu trên các động cơ đốt trong cháy cưỡng bức. Xăng bao gồm chủ yếu là các hợp chất hữu cơ thu được từ quá trình chưng cất và xử lý các phân đoạn dầu mỏ và bổ sung thêm một số loại phụ gia. Quá trình cháy trong động cơ xăng diễn ra với môi chất công tác trong xylanh gồm xăng, không khí và một số ít sản phẩm cháy còn sót lại của chu trình trước.
Trong quá trình nạp, xăng và hòa khí mới được nạp vào xylanh qua xupap nạp. Trong quá trình nén, môi chất công tác được nén trong xylanh (xupap nạp và thải đều đóng). Cuối quá trình nén, bugi bật tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp và sau đó diễn ra quá trình cháy và giãn nở. Sản vật cháy được thải qua xupap thải trong quá trình thải.
Nguồn gốc của xăng Xăng là hỗn hợp của các hydrocarbon thể lỏng linh động và dễ cháy, có nguồn gốc từ dầu mỏ và được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong. Xăng cũng được sử dụng làm dung môi cho dầu và chất béo. Bắt nguồn từ một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp dầu mỏ (dầu hỏa là sản phẩm chính), xăng trở thành nhiên liệu được ưa dùng cho xe cộ bởi chúng sản sinh nhiều năng lượng trong buồng đốt và khả năng hòa trộn tốt với không khí. Xăng là một hỗn hợp phức tạp của hàng trăm hydrocarbon khác nhau, hầu hết là bão hòa và chứa từ 4 đến 12 nguyên tử carbon trong một phân tử.
Xăng sử dụng trong xe cộ có nhiệt độ sôi chủ yếu ở dải nhiệt giữa 30 đến 200 độ C (85–390 độ F), hỗn hợp được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện sử dụng theo độ cao và theo mùa. Xăng máy bay có tỉ lệ của cả phần ít bay hơi và dễ bay hơi nhỏ hơn so với xăng sử dụng cho xe cộ. Thành phần hóa học của xăng Thành phần hóa học chính của xăng là các hydrocacbon có số nguyên tử từ C4 - C10 thậm chí còn có cả các hydrocacbon nặng như C11, C12, C13. Ngoài ra thành phần hóa học của xăng còn chứa một hàm lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, ni tơ, oxy.
Thành phần hydrocacbon - Họ farafinic Công thức hóa học chung là CnH2n+2, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n- farafin), mạch phân nhánh (iso-farafin), với các isofarafin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl. - Họ olefin Công thức hóa học chung là CnH2n, được tạo thành từ quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt và cốc hóa… các olefin cũng có 2 loại là n-farafin và iso-farafin. - Họ hydrocacbon naphatenic Là hydrocacbon mạch vòng no có công thức chung là CnH2n, các vòng thường có 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có nhánh hoặc không có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một lượng tương đối lớn, trong đó các hợp chất đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, những đồng phân này có nhiều nhánh của nó thường rất ngắn, chủ yếu là các gốc metyl (-CH3). - Họ aromatic Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một lượng nhỏ nhất so với ba họ, và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó.
Thành phần phi hydrocacbon Các hợp chất phi hydrocacbon là các hợp chất của O2, N2, S, trong đó các hợp chất này người ta quan tâm nhiều nhất là hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường. Trong xăng lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả xử lý. Phụ gia cho xăng không chì Phụ gia cho xăng không chì chì chủ yếu bao gồm: - Methanol - Ethanol - Tertiary-butyl alcohol (TBA) - Methyl tertiary – Buthyl ether (MTBE) Các dạng công thức cấu tạo của một số loại xăng: Hình 1.1: Các dạng công thức cấu tạo của một số loại xăng 1. Tính chất lý hóa của xăng Xăng dễ bay hơi, dễ bốc cháy,có mùi đặc trưng.
Tỷ trọng d: từ 0. Nhiệt trị Bảng 1.1: Nhiệt trị của nhiên liệu khí, lỏng và rắn Nhiệt trị là một trong những đặc tính quan trọng nhất, là thông tin cần thiết cho biết về hiệu suất cháy của nhiên liệu. Nhiệt trị được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D240. Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1kg(1m3)nhiên liệu trong điều kiện tiêu chuẩn (p = 760mmHg, t= ℃).
Người ta chia nhiệt trị làm 2 loại: Nhiệt trị cao là toàn bộ nhiệt lượng thu được sau khi đốt cháy hoàn toàn 1kg (hoặc 1m3) nhiên liệu, trong đó có cả nhiệt lượng do hơi nước trong sản vật cháy ngưng tụ thành nước nhả ra, sau khi sản vật cháy được làm lạnh tới nhiệt độ trước khi cháy (còn gọi là nhiệt ẩn trong nước). Nhiệt trị thấp là nhiệt lượng thu được trong trường hợp nước có trong sản phẩm cháy vẫn ở trạng thái hơi. Cách xác định nhiệt trị của nhiên liệu rắn và lỏng qua các biểu thức sau: Qtk =Qck -2,512.h-10,89(Onl – s) -2,512(9h+w) (MJ/kg) Trong đó: Qtk : nhiệt trị thấp của nhiên liệu lỏng Qck : nhiệt trị caocủa nhiên liệu lỏng h: thành phần khối lượng của hidro trong nhiên liệu Onl: thành phần khối lượng của oxy trong nhiên liệu s: thành phần khối lượng của lưu trong nhiên liệu w: thành phần khối lượng của nước trong nhiên liệu 2,512(MJ/kg) nhiệt ẩn của 1kg nước. Tính chất chống kích nổ Tính chất chống kích nổ là khả năng đảm bảo cho ngọn lửa xuất phát từ bugi lan truyền và đốt cháy phần hòa khí phía trước ngọn lửa do bugi tạo ra một cách đều đặn mà không tạo ra kích nổ.
Trị số octan (Octane Number) là một đại lượng quy ước đặc trưng cho tính chống kích nổ của nhiên liệu. Trị số này được đo bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4- trimetylpentan) có trong hỗn hợp của nó với n-heptan và có khả năng chống kích nổ tương đương khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thí nghiệm ở điều kiện chuẩn. Xăng có trị số octane càng cao thì tính chống kích nổ càng cao. Xăng có trị số octane cao sử dụng cho động cơ có tỉ số nén cao.
Nếu sử dụng xăng có trị số octane thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng cháy kích nổ. Nếu sử dụng xăng có trị số octane cao cho xe có tỉ số nén thấp thì xăng sẽ cháy khó cháy, cháy không hết tạo cặn than làm bẩn máy, hao xăng. Các loại trị số Octan Có 2 phương pháp đã được ASTM (American Society for Testing Materials - Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) đề nghị sử dụng, dần trở nên thông dụng và cuối cùng các nhà kiểm định chất lượng đã thống nhất sử dụng để đo chỉ số Octan tiêu chuẩn mang tính toàn cầu đó là: • Chỉ số Octan nghiên cứu: RON (Research Octane Number) • Chỉ số Octan động cơ: MON (Motor Octane Number) Chỉ số RON được tính khi cho động cơ hoạt động ở điều kiện nhẹ, nhiệt độ 49℃ (120℉) và động cơ quay 600 vòng/phút. Trong khi đó, chỉ số MON được tính ở điều kiện khắc nghiệt hơn rất nhiều, nhiệt độ hoạt động là 149℃(300℉) và tốc độ quay của động cơ là 900 vòng/phút.
Sau nhiều năm tính toán, chỉ số RON được công nhận là chỉ số có tính chính xác cao hơn khi xác định tới hiệu năng làm việc của động cơ và thường được dùng đơn lẻ khi nhắc tới chỉ số chống kích nổ của xăng. Khi xăng không chì được phát triển, và động cơ có nhiều cải tiến, thay đổi về mặt thiết kế, các nghiên cứu cho thấy rằng chỉ số MON hạn chế hiệu năng làm việc thực tế của động cơ. Và để phân loại chất lượng xăng thì các chỉ số mới bằng giá trị trung bình của chỉ số RON và MON đã được nghiên cứu và phát triển.Thông thường, các phương tiện giao thông sử dụng xăng có giá trị octane trung bình cộng của RON và MON từ 87-100. * Phương pháp tăng tính chống kích nổ của xăng: Ngoài việc lựa chọn công nghệ tạo ra các loại xăng có tỉ số octane cao, người ta có thể pha thêm vào xăng phụ gia chống kích nổ.
Một số loại phụ gia phổ biến: * Nước chì (theo tiêu chuẩn ASTM D3237, ASTM D 2599): Là hỗn hợp lỏng của tetra etyl chì (Pb(C2H5)4) và bromua etan (Br-C2H5) hoặc dibromua etan (Br-C2H4-Br). Tác dụng của tetra etyl chì là phá huỷ các hợp chất peoxyt và ngăn cản sự tích luỹ của chúng trong xy lanh là nguyên nhân gây ra cháy kích nổ của động cơ, do đó tetra etyl chì có tác dụng tăng tỉ số octane của xăng. Bromua etan (hoặc dibromua etan) là chất lôi kéo giúp muội chì sau quá trình cháy không đọng lại trong xy lanh, piston, bougie, xupap,… mà theo khói xả ra ngoài. Tuy nhiên nước chì là chất độc nên hiện nay các nước đã cấm sử dụng xăng pha chì.
* Các hợp chất chứa oxy như: metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH), metyl ter.butyl ete (MTBE – CH3-O-C4H9), metyl ter.amyl ete (MATE – CH3-O-C5H11),… có tác dụng như nước chì nhưng không độc hại. Tuy nhiên, chúng cũng có hạn chế do nhiệt lượng cháy thấp, áp suất hơi bão hoà quá cao, … giá thành cũng quá cao. Tính bay hơi Xăng muốn cháy được trong máy thì cần phải bay hơi, trộn với một lượng oxy vừa đủ để đạt được hiệu suất đốt cao nhất, đối với động cơ đốt trong, chúng được trộn với nhau thông qua bộ chế hòa khí. Nếu xăng bay hơi không thích hợp thì máy sẽ không phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều và gặp phải những sự cố kỹ thuật sau: + Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi + Hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng) Độ bay hơi của xăng được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau: a) Thành phần độ cất (distillation) theo tiêu chuẩn ASTM D 86 - Độ cất đầu (tsd – IBP) - Độ cất 10% thể tích - Độ cất 50% thể tích - Độ cất 90% thể tích - Độ cất cuối (tsc – FBP) Ý nghĩa: - Độ cất đầu và 10% thể tích đặc trưng cho tính khởi động máy, khả năng gây nút hơi và hao hụt tự nhiên.
Độ cất đầu thấp hơn quy định càng nhiều thì xăng càng dễ hao hụt, dễ sinh nghẽn khí. Độ cất 10% thể tích cao hơn quy định càng nhiều thì càng khó khởi động máy.