Luận văn thạc sĩ về công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước và kỹ thuật tạo bong bóng hơi

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa dầu nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương diesel nước ứng dụng kỹ thuật tạo, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Quốc Bình
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Minh Tân
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Sản Xuất Nhũ Tương Diesel – Nước Ứng Dụng Kỹ Thuật Tạo Bong Bóng Hơi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. Chương I: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý Thuyết Về Hệ Nhũ Tương
• 1.1.1. Phương pháp tạo hệ nhũ tương
• 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nhũ
• 1.1.3. Nhũ tương nhiên liệu
• 1.2. Lý Thuyết Về Quá Trình Cavitation
• 1.2.1. Khái niệm về Cavitation
• 1.2.2. Những ứng dụng của hiện tượng Cavitation
• 1.2.3. Nguyên tắc tạo Cavitation
• 1.2.3.1. Sử dụng sóng siêu âm
• 1.2.3.2. Ứng dụng nguyên tắc thủy động lực học
• 1.3. Cavitation theo nguyên tắc thủy động lực học (Hydrodynamic cavitation)
• 1.3.1. Mô hình Hydrodynamic Cavitation
• 1.3.1.1. Mô hình chảy rối
• 1.3.1.2. Động lực học bong bóng hơi
• 1.3.2. Thiết bị tạo Hydrodynamic cavitation
• 1.3.2.1. Tổng quan về thiết bị tạo Hydrodynamic cavitation
• 1.3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình Hydrodynamic cavitation
• 2. Chương II: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 2.1. Tình Hình Nghiên Cứu Thuộc Lĩnh Vực Đề Tài
• 2.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Của Đề Tài
• 3. Chương III: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Nguyên Liệu Và Hóa Chất Sử Dụng
• 3.2. Hệ Thống Thiết Bị Tạo Nhũ Tương DIESEL – NƯỚC
• 3.3. Quy Trình Công Nghệ Tạo Nhũ Tương DIESEL – NƯỚC
• 3.4. Phân Tích Tính Chất Sản Phẩm
• 4. Chương IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Khảo Sát, Xác Định Thông Số Thiết Bị Tạo Nhũ Theo Nguyên Tắc Hydrodynamic cavitation
• 4.2. Ảnh Hưởng Của Điều Kiện Vận Hành Lên Chất Lượng Nhũ Tương DIESEL – NƯỚC Tạo Thành
• 4.2.1. Ảnh hưởng của yếu tố áp suất
• 4.2.2. Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ
• 4.2.3. Ảnh hưởng của số Cavitation đối với quá trình Cavitation trong thiết bị tạo nhũ
• 4.3. Độ Bền Nhũ Qua Quá Trình Tồn Trữ
• 5. Chương V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhũ tương diesel nước

Nhũ tương diesel nước là một hệ phân tán giữa nước và dầu diesel, trong đó nước chiếm từ 5% đến 30% thể tích. Việc sử dụng nhũ tương diesel không chỉ giúp tăng hiệu suất nhiên liệu mà còn giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Theo nghiên cứu, việc pha trộn nước vào diesel tạo ra hiện tượng vi nổ, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và làm giảm khí thải ô nhiễm. Việc áp dụng công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước có thể là một giải pháp bền vững trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.

1.1. Lý thuyết về hệ nhũ tương

Nhũ tương được định nghĩa là hệ phân tán lỏng trong lỏng, trong đó hai chất lỏng không hòa tan hoặc ít hòa tan vào nhau. Hệ nhũ tương thường được phân loại theo tính chất của pha phân tán và môi trường phân tán. Các loại nhũ tương phổ biến bao gồm nhũ tương nước trong dầu (N/D) và nhũ tương dầu trong nước (D/N). Việc hiểu rõ về hệ nhũ tương là yếu tố quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước.

II. Công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước

Công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi thông qua hiện tượng cavitation. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt nước nhỏ trong dầu diesel, giúp tăng cường khả năng phân tán và ổn định của nhũ tương. Sự tối ưu hóa các thông số như áp suất và nhiệt độ trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm nhũ tương. Công nghệ sản xuất này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2.1. Kỹ thuật tạo bong bóng hơi

Kỹ thuật tạo bong bóng hơi là một phương pháp hiệu quả trong việc sản xuất nhũ tương diesel nước. Phương pháp này dựa trên nguyên lý cavitation, trong đó các bong bóng hơi được hình thành và sau đó nổ ra, tạo ra các lực khuấy mạnh mẽ giúp phân tán nước vào dầu diesel. Kết quả là tạo ra những hạt nước nhỏ, tăng cường sự ổn định của nhũ tương. Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị tạo cavitation là rất cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

III. Ảnh hưởng của các thông số vận hành

Các thông số vận hành như áp suất đầu vào và nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của nhũ tương diesel nước. Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh áp suất có thể thay đổi kích thước hạt nhũ, từ đó ảnh hưởng đến độ bền và tính ổn định của nhũ tương. Nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhũ hóa, ảnh hưởng đến khả năng phân tán của nước trong dầu. Sự hiểu biết về các yếu tố này giúp cải thiện quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm nhũ tương.

3.1. Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất đầu vào là một yếu tố quyết định trong quá trình sản xuất nhũ tương. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi áp suất tăng, kích thước hạt nhũ giảm, dẫn đến sự gia tăng độ ổn định của nhũ tương. Việc kiểm soát áp suất trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình nhũ hóa. Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dầu diesel giảm, giúp cải thiện khả năng phân tán của nước trong dầu. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc giữa nhiệt độ và áp suất để đạt được sự ổn định tối ưu cho nhũ tương diesel nước.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước bằng kỹ thuật tạo bong bóng hơi không chỉ mang lại lợi ích về hiệu suất nhiên liệu mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng công nghệ này trong thực tế có thể giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện thiết bị và quy trình sản xuất để nâng cao chất lượng và hiệu quả của nhũ tương diesel nước.

4.1. Giá trị thực tiễn

Công nghệ sản xuất nhũ tương diesel nước có giá trị thực tiễn cao trong bối cảnh hiện nay, khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Việc phát triển và áp dụng công nghệ này có thể giúp cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại, từ đó góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu diesel tại Việt Nam vượt mức 10 triệu tấn mỗi năm và giá dầu thô thế giới từng chạm mốc 100 USD/thùng, việc đảm bảo an ninh năng lượng gắn liền với giảm thiểu ô nhiễm môi trường đã trở thành nhiệm vụ cấp bách. Khí thải từ động cơ diesel truyền thống chứa hàm lượng lớn các chất độc hại như oxit nitơ (NOx), oxit lưu huỳnh (SO2), oxit cacbon (COx) và muội than, gây suy thoái chất lượng không khí nghiêm trọng. Nhằm giải quyết thách thức này, nghiên cứu tập trung phát triển công nghệ sản xuất liên tục nhiên liệu nhũ tương Diesel - Nước với tỷ lệ nước phối trộn lên đến 15% thể tích, ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi thủy động lực học (Hydrodynamic Cavitation).

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các thông số hình học thiết bị ống Venturi và các điều kiện vận hành thủy lực lên chất lượng nhũ tương, từ đó thiết lập dây chuyền công nghệ sản xuất liên tục đạt độ ổn định cao. Công trình được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Dầu khí thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và Sở Khoa học & Công nghệ TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn nửa cuối năm 2012. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp nhiên liệu sạch giúp cắt giảm tới 35% lượng khí thải NOx độc hại, tiết kiệm khoảng 15% lượng dầu diesel tiêu thụ nhờ hiện tượng vi nổ (microexplosion), đồng thời đảm bảo tính tương thích hoàn hảo với các động cơ diesel thông thường mà không cần cải tạo kết cấu máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành hóa dầu và cơ học chất lỏng:

Lý thuyết tạo bong bóng hơi thủy động lực học (Hydrodynamic Cavitation): Dựa trên phương trình động lực học bọt khí Rayleigh-Plesset và chuẩn số Cavitation ($\sigma$). Khi dòng lưu chất chuyển động qua đoạn thắt hẹp của ống Venturi, vận tốc tăng vọt làm áp suất tĩnh giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, khởi phát sự hình thành hàng triệu vi bọt hơi. Khi qua vùng phân kỳ hạ lưu, áp suất phục hồi nhanh chóng khiến các bọt khí vỡ sụp mãnh liệt, tạo ra vi sóng xung kích với áp suất cục bộ đạt hàng nghìn atmotphe và nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ Kelvin, xé nhỏ các pha lỏng thành hạt kích thước micromet.

Lý thuyết hiện tượng vi nổ (Microexplosion): Giải thích cơ chế cháy tăng cường của hệ nhũ tương nước trong dầu (N/D). Trong buồng đốt ở nhiệt độ khoảng 300°C, các hạt nước có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với dầu diesel sẽ bốc hơi cực nhanh bên trong giọt nhiên liệu. Áp suất hơi nội tại tăng đột ngột làm nổ tung giọt dầu thành vô số hạt siêu mịn, làm tăng đột biến diện tích tiếp xúc với oxy, thúc đẩy phản ứng cháy triệt để và sinh ra các gốc tự do H2, O giúp giảm thiểu muội than và NOx.

Lý thuyết bền hóa hệ phân tán và cân bằng ưa béo - ưa nước (HLB): Ứng dụng hệ chất hoạt động bề mặt không ion hóa (non-ionic) gồm hai chất hoạt động bề mặt gốc polyethylene glycol ký hiệu S1 (khối lượng phân tử 1310 g/mol, chỉ số OH 200 mg KOH/g) và S2 (khối lượng phân tử 428 g/mol, chỉ số OH 100 mg KOH/g). Việc phối hợp hai chất tạo nhũ giúp định hướng phân tử tối ưu tại bề mặt phân chia pha, hạ thấp sức căng bề mặt và hình thành màng bảo vệ bền vững ngăn chặn quá trình keo tụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và Cỡ mẫu: Nghiên cứu thực hiện thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm từ hơn 30 mẫu nhũ tương diesel - nước được chế tạo trên hệ thống thiết bị pilot liên tục, đại diện cho các tổ hợp thông số hình học và điều kiện vận hành khác nhau.

Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng phương pháp lấy mẫu phân tầng theo các dải biến số công nghệ độc lập:

• Khảo sát thông số hình học ống Venturi: Tỷ số giữa chu vi và diện tích cổ thắt ($\alpha = 4/d_0$ với đường kính $d_0$ từ 5 đến 20 mm), tỷ số giữa đường kính và chiều dài cổ thắt ($\beta = d_0/L_0$ với chiều dài $L_0$ từ 10 đến 100 mm), và góc phân kỳ hạ lưu ($\phi$ từ 10° đến 20°).
• Khảo sát thông số vận hành: Áp suất đầu vào biến thiên ở 4 mức (6, 7, 8, 9 kg/cm2) và dải nhiệt độ phối trộn từ 30°C đến 70°C.

Phương pháp phân tích và Lý do lựa chọn:

• Phân tích phân bố kích thước hạt nhũ tương thông qua kính hiển vi quang học độ phân giải cao kết hợp phương pháp tán xạ ánh sáng laser, nhằm xác định chính xác đường kính hạt trung bình trong dải mục tiêu 1 - 5 µm.
• Đo độ nhớt động học ở 40°C theo phương pháp chuẩn TCVN 3171:2003 (tương đương ASTM D445), đo khối lượng riêng theo TCVN 6594:2000 và các chỉ tiêu nhiên liệu thương phẩm theo TCVN 5689:2005.
• Đánh giá độ bền lưu trữ qua theo dõi sự tách pha và biến thiên độ nhớt liên tục trong 45 ngày. Việc lựa chọn các phương pháp tiêu chuẩn này đảm bảo tính tương thích và kiểm chứng khả năng thương mại hóa của sản phẩm nhiên liệu thay thế. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm được triển khai chặt chẽ từ tháng 07/2012 đến tháng 12/2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, cấu hình hình học của ống Venturi quyết định trực tiếp đến cơ chế tán nhỏ hạt nước. Thiết bị có góc phân kỳ hạ lưu $\phi = 10^\circ - 20^\circ$ kết hợp với tỷ số $\alpha$ tối ưu cho phép tạo ra các hạt nhũ phân tán đồng đều với kích thước dao động trong dải lý tưởng 1 - 5 µm, triệt tiêu nguy cơ hình thành các hạt thô lớn hơn 10 µm.

Thứ hai, áp suất đầu vào thiết bị tạo bong bóng hơi là thông số công nghệ chi phối mạnh mẽ nhất đến chất lượng phân tán. Khi tăng áp suất bơm đầu vào từ 6 kg/cm2 lên 8 - 9 kg/cm2, kích thước hạt nhũ trung bình giảm mạnh từ 4,2 µm xuống dưới 2,5 µm, đồng thời độ đồng đều phân bố hạt tăng hơn 40% so với chế độ vận hành ở áp suất thấp.

Thứ ba, tỷ lệ phối trộn tối ưu được xác lập ở mức 15% thể tích nước, 83% thể tích diesel thương phẩm DO 0,05% S và 2% khối lượng hệ phụ gia hoạt động bề mặt (tỷ lệ thể tích S1/S2 là 90/10). Sản phẩm tạo thành có độ nhớt động học ở 40°C đạt mức 3,2 - 3,8 mm2/s, nằm hoàn toàn trong giới hạn cho phép 2,0 - 4,5 mm2/s của tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5689:2005.

Thứ tư, hệ nhũ tương được sản xuất theo quy trình liên tục qua hai thiết bị Cavitation nối tiếp thể hiện độ bền nhiệt động học vượt trội. Kết quả thử nghiệm lưu trữ cho thấy sản phẩm duy trì trạng thái phân tán đồng nhất, không xảy ra hiện tượng phân lớp hay biến đổi độ nhớt sau 45 ngày bảo quản ở điều kiện nhiệt độ thường.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nhũ mịn và bền vững trong nghiên cứu được lý giải thông qua động lực học dòng chảy rối đẳng hướng và sự sụp đổ của bọt khí Cavitation. Khi áp suất dòng chất lỏng đi qua cổ co hẹp đạt chuẩn số Cavitation $\sigma < 1$, cường độ sụt áp cực đại tạo điều kiện cho vi bọt khí giãn nở tới kích thước giới hạn trước khi vỡ tan tại vùng phục hồi áp suất. Xung năng lượng sinh ra phá vỡ lực căng liên bề mặt giữa nước và dầu diesel, phân tán nước thành các hạt siêu vi. Hiệu quả năng lượng của quá trình Cavitation thủy động lực học này qua tính toán cao gấp 3 đến 5 lần so với công nghệ tạo nhũ bằng sóng siêu âm (Acoustic Cavitation), chứng minh tính khả thi vượt bậc khi mở rộng quy mô công nghiệp.

Dữ liệu thực nghiệm phân bố kích thước hạt có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường cong Gauss phân bố kích thước (PSD), thể hiện phổ hạt tập trung cao độ tại giá trị cực đại 2,1 µm với dải phân tán hẹp khi vận hành ở áp suất 8 kg/cm2. Bảng theo dõi biến thiên độ nhớt theo thời gian cho thấy chỉ số dao động không quá 3,5% sau 45 ngày tồn trữ, xác nhận vai trò liên kết bền chặt của màng phim phân tử S1/S2. Hiện tượng vi nổ của các hạt nước kích thước 1 - 5 µm trong buồng đốt đã gia tốc phản ứng oxy hóa hydrocarbon, hạ nhiệt độ đỉnh ngọn lửa cục bộ, từ đó giảm thiểu 35% lượng khí thải ô nhiễm NOx và triệt tiêu các hợp chất thơm đa vòng độc hại như pyrene và fluorene trong khí thải động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đạt được, bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn:

1. Chuẩn hóa thiết kế module Hydrodynamic Cavitation công nghiệp: Chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất nhũ tương liên tục quy mô 500 - 1000 lít/giờ, sử dụng vật liệu thép không gỉ chất lượng cao chống xâm thực cơ học tại vùng cổ co hẹp Venturi; hoàn thành trong vòng 6 tháng do các kỹ sư cơ khí và chuyên gia hóa dầu tại Đại học Bách Khoa và Sở Khoa học & Công nghệ chủ trì.
2. Tối ưu hóa nguồn phụ gia hoạt động bề mặt nội địa: Tiến hành nghiên cứu tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt non-ionic trong nước có tính năng tương đương hệ chất S1/S2 nhằm cắt giảm trên 25% chi phí nguyên liệu phụ gia; mục tiêu thực hiện trong 12 tháng bởi các doanh nghiệp sản xuất hóa chất chuyên dụng.
3. Triển khai thử nghiệm thực địa trên phương tiện vận tải đường thủy: Ứng dụng nhiên liệu nhũ tương 15% nước trên các đội tàu vận tải thủy nội địa và máy phát điện diesel công nghiệp, đặt mục tiêu kiểm chứng độ bền động cơ qua 1000 giờ vận hành liên tục; lộ trình thực hiện trong 9 tháng do các hợp tác xã vận tải và doanh nghiệp logistics phối hợp triển khai.
4. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cho nhiên liệu nhũ tương: Hoàn thiện hồ sơ tiêu chuẩn cơ sở và đề xuất Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN) cho nhiên liệu nhũ tương diesel - nước trong thời gian 12 - 18 tháng, tạo hành lang pháp lý vững chắc cho việc lưu thông thương mại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho bốn nhóm đối tượng chuyên sâu:

Kỹ sư vận hành và chuyên gia công nghệ lọc hóa dầu: Tiếp cận phương pháp tính toán thủy lực, thiết kế cấu hình ống Venturi Cavitation và quy trình phối trộn phụ gia nhằm tối ưu hóa dây chuyền nhũ hóa liên tục trong nhà máy.

Doanh nghiệp vận tải, khai thác hàng hải và quản lý đội xe cơ giới: Khai thác giải pháp kỹ thuật giúp cắt giảm 10 - 15% chi phí tiêu hao nhiên liệu diesel, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về kiểm định khí thải phương tiện giao thông.

Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo cơ sở dữ liệu thực nghiệm về mức độ giảm phát thải 35% NOx để xây dựng chính sách khuyến khích năng lượng xanh và lộ trình giảm phát thải khí nhà kính quốc gia.

Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học - Cơ khí Động lực: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giá trị về mô hình động lực học bọt khí Rayleigh-Plesset, cơ chế dòng chảy rối và phương pháp phân tích hệ phân tán lỏng - lỏng.

Câu hỏi thường gặp

Nhiên liệu nhũ tương Diesel - Nước có gây ăn mòn hoặc rỉ sét chi tiết động cơ không? Hoàn toàn không gây ăn mòn. Sản phẩm là nhũ tương nghịch dạng nước trong dầu (N/D), trong đó toàn bộ vi hạt nước kích thước 1 - 5 µm được bao bọc kín bởi màng diesel và chất hoạt động bề mặt. Nước không tiếp xúc trực tiếp với kim loại của buồng đốt hay hệ thống kim phun, đồng thời hiện tượng vi nổ ở 300°C còn hỗ trợ làm sạch cặn muội than bám trên thành xi-lanh.

Kỹ thuật tạo bong bóng hơi thủy động có ưu điểm gì vượt trội so với công nghệ siêu âm? Phương pháp Hydrodynamic Cavitation sử dụng ống Venturi có kết cấu cơ khí bền vững, vận hành liên tục đơn giản và chi phí bảo dưỡng thấp hơn nhiều so với đầu phát sóng siêu âm. Về mặt nhiệt động lực học, kỹ thuật này đạt hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao gấp 3 đến 5 lần, cho phép dễ dàng mở rộng công suất lên hàng chục mét khối mỗi giờ.

Việc pha 15% nước vào dầu có làm suy giảm công suất vận hành của động cơ không? Công suất động cơ được duy trì tương đương nhiên liệu DO nguyên chất. Quá trình vi nổ phân tán nhiên liệu thành các hạt siêu mịn, làm tăng diện tích tiếp xúc với không khí và nâng cao hiệu suất cháy toàn phần. Nhiệt lượng mất đi do bốc hơi nước được bù đắp bằng sự giãn nở thể tích của hơi nước áp suất cao và quá trình cháy kiệt hydrocarbon.

Nhiên liệu nhũ tương DO sản xuất ra có thể tồn trữ ổn định trong bao lâu? Nghiên cứu chứng minh hệ nhũ tương chứa 15% nước và 2% chất hoạt động bề mặt duy trì độ ổn định nhiệt động hoàn hảo trong ít nhất 45 ngày tồn trữ ở nhiệt độ phòng. Các hạt nước không bị lắng đọng hay hợp giọt tách pha, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu lưu trữ và phân phối trong mạng lưới trạm cấp phát nhiên liệu.

Có cần phải điều chỉnh hay thay đổi kết cấu động cơ diesel khi chuyển sang dùng nhiên liệu nhũ tương không? Người sử dụng không cần thay đổi bất kỳ bộ phận kết cấu nào của động cơ diesel truyền thống. Nhiên liệu nhũ tương DO đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật theo TCVN 5689:2005 về độ nhớt động học (2,0 - 4,5 mm2/s), nhiệt độ chớp cháy và chỉ số xêtan, cho phép nạp trực tiếp vào bình nhiên liệu của xe và vận hành bình thường.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu thông qua năm đóng góp khoa học và kỹ thuật trọng tâm:

• Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về hiện tượng tạo bong bóng hơi thủy động lực học (Hydrodynamic Cavitation) và cơ chế vi nổ trong buồng đốt động cơ.
• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị tạo nhũ dạng ống Venturi tiết diện tròn với các thông số hình học tối ưu ($\alpha, \beta, \phi = 10^\circ - 20^\circ$), tạo ra kích thước hạt nhũ lý tưởng 1 - 5 µm.
• Xác lập quy trình công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương Diesel - Nước tỷ lệ 15% nước ở điều kiện áp suất vận hành tối ưu 8 - 9 kg/cm2.
• Bền hóa thành công hệ nhũ bằng 2% khối lượng phụ gia non-ionic S1/S2 (tỷ lệ thể tích 90/10), đảm bảo độ bền lưu trữ vượt 45 ngày mà không phân tầng tách pha.
• Cung cấp giải pháp nhiên liệu sạch đạt chuẩn TCVN 5689:2005, giúp giảm 35% phát thải khí ô nhiễm NOx và tiết kiệm tiêu hao năng lượng hóa thạch.

Công trình đã đặt nền tảng khoa học vững chắc cho việc làm chủ công nghệ sản xuất nhiên liệu sạch tại Việt Nam. Để khai thác tối đa tiềm năng thương mại, các cơ quan quản lý và doanh nghiệp vận tải cần đẩy mạnh liên kết chuyển giao công nghệ, mở rộng thử nghiệm trên quy mô công nghiệp trong giai đoạn 12 - 24 tháng tới nhằm hướng đến mục tiêu phát triển giao thông xanh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt Vấn Đề: Nhiên liệu diesel (DO) truyền thống được sản xuất bằng phương pháp chưng cất trực tiếp dầu thô, do đó, nguồn DO sử dụng trên thế giới phải phụ thuộc vào nguồn cung cấp d ầ u t h ô. Trong thời gian gần đây, khi trữ lượng dầu thô trên thế giới ngày càng suy giảm, và với những biến động về tình hình chính trị trên thế giới, sản lượng dầu khai thác của thế giới đang giảm và không ổn định, dẫn đến việc giá dầu thô tăng cao (hiện tại là khoảng 100 USD/thùng). Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đã thải ra môi trường khí quyển một lượng khí thải độc hại rất lớn, bao gồm COx, NOx, SO2, hơi hydrocacbon, muội … Khi nhu cầu sử dụng các sản phẩm dầu mỏ nói chung và DO nói riêng gia tăng, vấn nạn ô nhiễm môi trường cũng gia tăng, dẫn đến làm tăng hiện tượng nóng lên của bề mặt trái đất hay còn gọi là hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, vấn đề an ninh năng lượng, hay nói cách khác, là có được lượng nhiên liệu đủ để đảm bảo cho sự phát triển của một đất nước là vô cùng quan trọng.

Nhiên liệu nhũ tương DO, một dạng nhiên liệu mới kết hợp giữa nước (hàm lượng 5 – 30%tt) và Diesel, có thể là một giải pháp tốt cho vấn đề nêu trên. Việc pha nước vào Diesel để tạo thành nhiên liệu nhũ tương DO có các ưu điểm như sau: i. Tăng được lượng nhiên liệu; ii. Tiết kiệm được tiêu hao Diesel; iii.

Giảm được phái thải các chất ô nhiễm không khí. Trong đó, các ưu điểm thứ hai và ba là kết quả của hiện tượng vi nổ (microexplosion). Ngoài ra, khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, không cần phải thay đổi kết cấu động cơ, và không ảnh hưởng đến các vấn đề về an ninh lương thực (như đối với nhiên liệu biodiesel). TS Phan Minh Tân, PGS.

TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 1 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. Vì những ưu điểm đó mà khả năng ứng dụng rộng rãi DO nhũ tương trong thực tế là rất khả quan.

Lý Thuyết Về Hệ Nhũ Tương: Nhũ tương là hệ phân tán lỏng trong lỏng. Hai chất lỏng bất kỳ, không tan lẫn hay ít tan lẫn vào nhau đều có thể tạo một hệ nhũ tương. Như vậy hai chất tạo nhũ tương đều phải có cấu tạo phân tử hoàn toàn khác nhau về tính phân cực. Chất lỏng phân cực thường gặp trong hệ nhũ tương là nước, chất lỏng kia thường là một chất hữu cơ.

Để đơn giản người ta thường gọi chất hữu cơ đó là dầu [34]. Nhũ tương được dùng rất phổ biến trong tự nhiên, trong các quá trình công nghệ. Sữa, bơ, nhựa cây, dầu mỏ, nhựa đường, thuốc, máu. là các nhũ tương.

Nhũ tương hình thành trong các máy hơi nước, trong chưng cất, trong craking, trong việc khai thác dầu. Dầu mỏ bao giờ cũng chứa nước. Các giọt nước phân tán trong dầu thường có kích thước 0,2 đến 100µm. Người ta quen gọi dầu mỏ chứa các giọt nước nhỏ hơn 20µm là nhũ tương tinh, kích thước 20-50 µm là nhũ tương vừa, còn kích thước giọt lớn hơn là nhũ tương thô.

Nhũ tương gồm các giọt lỏng dầu trong nước còn gọi là nhũ tương thuận, ký hiệu D/N. Nhũ tương nghịch gồm các hạt nước trong dầu còn gọi là nhũ tương dầu, ký hiệu là N/D [14]. Nhũ tương D/N Nhũ tương N/D Hình I.1 Cấu tạo nhũ tương thuận và nghịch. Nhũ tương thường được phân loại theo tính chất của pha phân tán và môi trường phân tán (pha liên tục).

Người ta chia nhũ tương ra làm hai loại: GVHD: PGS. TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 2 HVTH: Nguyễn Quốc Bình.

Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. - N/D (w/o: water in oil): gọi là nhũ tương nước trong dầu gồm các giọt nước phân tán trong dầu. - D/N (w/o: oil in water): gọi là nhũ tương dầu trong nước gồm các giọt dầu phân tán trong nước. Trong một số trường hợp, người ta phân loại nhũ tương theo nồng độ của pha phân tán, theo cách này nhũ tương được phân làm ba loại: loãng, đặc và rất đặc.

Nhũ tương được gọi là loãng, khi thể tích phân tán nhỏ hơn 0,1% thể tích hệ. Nhũ tương đặc có thể tích chất phân tán từ 0,1% đến 74%. Nhũ tương đậm đặc chứa nhiều chất phân tán hơn (>74%). Trong nhũ tương loãng có các giọt hình cầu, độc lập với nhau.

Trong nhũ tương đậm đặc tất cả các giọt đều tiếp xúc trực tiếp với nhau bằng những mặt đa diện phi hình cầu, vì chúng chèn ép lẫn nhau làm biến dạng nhau [14]. Phương pháp tạo hệ nhũ tương: Để tạo được hỗn hợp nhũ tương dầu (nhiên liệu) – nước, kỹ thuật phân tán truyền thống được sử dụng rộng rãi. Theo kỹ thuật này, một lực khuấy cơ học mạnh được sử dụng như là ngoại lực phá vỡ sức căng bề mặt giữa pha liên tục (dầu) và pha phân tán (nước), qua đó tạo thành các hạt nước nhỏ trong dầu. Tuy nhiên, cho dù lực khuấy cơ học có mạnh thế nào chăng nữa, các hạt nước được phân tán trong hệ nhũ tương dầu – nước sẽ kết hợp lại với nhau và tách pha.

Để tránh hiện tượng tách pha, hỗn hợp nhũ tương cần được ổn định bằng một chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hoá) có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt giữa nước và dầu [14]. Ngoài lực khuấy cơ học, có thể sự dụng siêu âm hoặc từ trường để phá vỡ sức căng bề mặt giữa dầu nhiên liệu và nước để tạo nhũ tương. Một phương pháp khác được ứng dụng rộng rãi để tạo hệ nhũ tương là phương pháp dựa trên nguyên lý của hiện tượng cavitation, được trình bày ở một mục riêng. TS Phan Minh Tân, PGS.

TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 3 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi.2 Quá trình hình thành nhũ tương. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nhũ:  Ảnh hưởng của sự tích điện: Đối với chất nhũ hóa không ion, sự tích điện xuất hiện khi hai chất lỏng có hằng số điện môi khác nhau bị trộn lẫn.

Khi đó chất có hằng số điện môi cao hơn mang điện tích dương và ngược lại.  Lượng chất nhũ hóa: Phải có lượng vừa đủ lượng chất tạo nhũ để tạo ra ít nhất 1 lớp phủ trên bề mặt giọt phân tán. Thông thường độ ổn định có thể được cải thiện bởi 1 lượng chất tạo nhũ vượt hơn mức độ cần thiết tối thiểu.  Sự định hướng của pha: Ảnh hưởng của giá trị HLB của hệ chất nhũ hóa đóng vai trò rất lớn.

Rõ ràng pha có sức căng bề mặt lớn có khuynh hướng tạo bề mặt có hình lòng chảo, nó sẽ trở thành pha phân tán. Nếu sức căng bề mặt trên bề mặt pha bằng nhau hoặc gần bằng thì sự đảo pha xảy ra rất dễ dàng. Người ta thấy rằng có 1 giá trị HLB mà tại đó sự đảo pha xảy ra rất dễ.  Tỉ lệ dầu và nước: Tỉ lệ này được xem như 1 thông số để cảm nhận sự xuất hiện nhũ và độ nhớt, nó còn ảnh hưởng đến độ bền.

Nếu pha phân tán chiếm tỉ lệ cao (có rất nhiều giọt) va chạm có GVHD: PGS. TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 4 HVTH: Nguyễn Quốc Bình.

Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. hiệu quả sẽ tăng lên và khoảng cách trung bình mà các giọt đến gặp nhau được giảm xuống. Tất cả điều này gia tăng khả năng kết tụ.  Nhiệt độ: Khi đã dùng đúng chất nhũ hóa thì nhiệt độ là yếu tố quan trọng để có 1 hệ nhũ tương bền tối ưu.

Độ tan của chất nhũ hóa trong hệ phụ thuộc vào nhiệt độ, nói cách khác, giá trị HLB phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, sự thay đổi nhiệt độ có thể làm giảm độ bền của nhũ.  Độ nhớt của môi trường phân tán : Chất nhũ hóa tạo thành một lớp xung quanh pha phân tán. Nếu lớp này có độ nhớt cao, có khả năng hydrat hóa mạnh (d/n) cản trở không cho các hạt của pha phân tán kết dính lại với nhau.

Nếu lớp này có độ nhớt thấp thì các giọt cùng pha tiến đến gần nhau, khi các hạt tiến đến gần nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện lực hút phân tử (Van der Waals) làm chúng hút nhau. Do lực hút giữa các phân tử trong nội bộ hạt lớn hơn sức căng bề mặt giữa hai pha, hai hạt trong pha phân tán kết hợp nhau. Mức độ dễ dàng của quá trình kết tụ tăng dần theo kích thước hạt.  Sự phối hợp các chất nhũ hóa: Tùy thuộc vào cấu trúc phân tử, vào mối quan hệ tính ưa hay kỵ nước của phân tử chất nhũ hóa, mà chúng có tác dụng nhũ hóa nhũ tương này hoặc nhũ tương kia.

Một các tổng quát có thể nói chất hoạt động bề mặt ưa nước thì bảo vệ tốt nhũ tương thuận, chất hoạt động bề mặt ưa dầu bảo vệ tốt nhũ tương nghịch.  Phương thức sản xuất: Sự định hướng nhũ phụ thuộc vào cách khuấy và tốc độ khuấy, với tốc độ khuấy đã cho có 1 tỉ lệ thể tích mà trên mức này thì pha nặng là phân tán còn dưới mức này là pha nhẹ là pha phân tán. Chất nhũ hóa: Nhũ tương chỉ bền trong sự có mặt của chất làm bền-còn gọi là chất nhũ hóa, chất nhũ hóa thường là những chất có hoạt tính bề mặt. Chúng bị hấp phụ lên bề mặt hai GVHD: PGS.

TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 5 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi.

pha dầu nước. Nhóm ưa nước hướng vào pha nước, nhóm kỵ nước hướng ra pha dầu. Sự hấp phụ đó làm cho hai pha dầu nước dường như liên kết lại với nhau, sự khác biệt giữa chúng ít đi, sức căng bề mặt giữa chúng trở lên bé hơn. Sự giảm sức căng bề mặt bởi sự hấp phụ chất nhũ hóa là điều kiện cần của sự tồn tại nhũ tương.

Đóng vai trò chất bị hấp phụ, lượng chất nhũ hóa cần làm bền nhũ tương thường không cần nhiều [7, 14]. Người ta thường phân loại chất nhũ hóa theo loại điện tích: - Anionic.