Giáo trình: Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - ThS. Trương Hữu Trì

Chia sẻ: Nguyen Minh Duc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

2
527
lượt xem
285
download

Giáo trình: Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - ThS. Trương Hữu Trì

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa nhiều các hợp chất khác nhau. Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩm quan trọng của nhà máy lọc dầu, nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như hoạt động sản xuất trong công nghiệp.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình: Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm - ThS. Trương Hữu Trì

  1. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Chương I NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu cho động cơ xăng Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa nhiều các hợp chất khác nhau. Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ, phân đoạn dầu mỏ nói chung hay của xăng thương phẩm nói riêng người ta thường chia thành phần của nó thành hai nhóm chất chủ yếu đó là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất phi hydrocacbon. Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩm quan trọng của nhà máy lọc dầu, nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như hoạt động sản xuất trong công nghiệp. Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơ Diesel (được phát minh ra đồng thời ở Pháp và Đức vào khoảng 1860), nó đã phát triển mạnh mẻ từ sau những năm 50 của thế kỷ trước. Với nền công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại như ngày nay đã cho ra đời nhiều chủng loại với công suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ xăng, nhu cầu về xăng nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệu những cơ hội và cả những thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợi ích mà động cơ này mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môi trường sinh thái. Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt mà còn phải bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường. Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau: Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp. Động cơ hoạt động không bị kích nổ. ThS. Trương Hữu Trì Trang 1
  2. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Không kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí. Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu. Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất. Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ. Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt. Xăng nhiên liệu thu nhận được trong các nhà máy lọc dầu, ban đầu chỉ từ phân xưởng chưng cất khí quyển, tuy nhiên hiệu suất thu xăng từ quá trình này rất thấp chỉ vào khoảng 15% khối lượng dầu thô ban đầu. Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này không đủ để cung cấp cho các nhu cầu thực tế, vì vậy bắt buộc con người phải chế biến các phần thu khác nhằm thu hồi xăng với hiệu suất cao hơn, điều này đã làm xuất hiện các phân xưởng khác như phân xưởng crắckinh, alkyl hoá . . . Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngày càng tăng và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phải đưa ra nhiều quá trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các yêu cầu của xăng thương phẩm. Thực tế trong các nhà máy lọc dầu hiện nay xăng thương phẩm được phối trộn từ những nguồn sau: Xăng của quá trình FCC Reformat Xăng chưng cất trực tiếp Xăng của quá trình isomer hoá Alkylat Xăng của quá trình giảm nhớt, cốc hoá, các quá trình xử lý bằng hydro Xăng thu được từ các quá trình tổng hợp như Methanol, Ethanol, MBTE. Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phôi trộn, phần còn lại phụ thuộc vào yêu cầu về chất lượng của xăng và yêu cầu của từng Quốc gia mà nguồn nguyên liệu và hàm lượng của nó được chọn khác nhau. ThS. Trương Hữu Trì Trang 2
  3. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Ví dụ: - Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Mỹ (trước năm 2000) Reformat 36,2 34,7 Naphta nh? Isomerisat Alkylat/Polymerisat Ether Butan 4 Xăng FCC 5,6 1,8 13 4,7 - Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Tây Âu (trước năm 2000) 27,1 Reformat Naphta nh? Isomerisat 49,6 Alkylat/Polymerisat 5,7 Ether Butan 1,8 Xăng FCC 5,9 5 7,6 - Tỷ lệ phối trộn ở Pháp từ năm 2000 Reformat 35% < < 45% Butan 5% Xăng FCC 15% < < 25% Xăng isomer hoá 0% < < 15% Alkylat 0% < < 20% MTBE 0% < < 5% (trường hợp đặc biệt
  4. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.2. Thành phân hoá học của nhiên liệu xăng 1.2.1. Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng Như phần trên vừa nêu, xăng thương phẩm không phải là sản phẩm của một quá trình nào đó trong nhà máy lọc dầu mà nó là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ một số nguồn khác nhau, kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động của động cơ trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện vận chuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau. Thành phần hoá học chính của xăng là các hydrocacbon có số nguyên tử từ C4÷ C10 thậm chí có cả các hydrocacbon nặng hơn như C11, C12 và cả C13. Ngoài ra trong thành phần hoá học của xăng còn chứa một hàm lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơ và oxy. Với số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả ba họ hydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong xăng. Mặc dù trong thành phần của dầu mỏ ban đầu không có các hợp chất không no như ôlêfin nhưng trong quá trình chế biến đã xãy ra quá trình cắt mạch hình thành nên các hợp chất đói này, do đó trong thành phần hoá học của xăng thương phẩm còn có mặt các hợp chất đói. ThS. Trương Hữu Trì Trang 4
  5. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của một loại xăng super thương phẩm. Số nguyên Thành phần tính theo khối lượng tử cacbon Parafin % Naphten% Olefin% Diolefin% Aromatic% Tổng % 4 1.46 0 0.59 0. 0 2.05 5 11.64 0.18 3.16 0.06 0 15.04 6 12.27 1.03 2.09 0.06 2.22 17.67 7 11.52 1.41 1.40 0 12.84 27.17 8 4.26 0.05 0.12 0 16.70 21.13 9 0.65 0 0 0 10.76 11.41 10 0 0 0 0 3.08 3.08 11 0 0 0 0 0.19 0.19 Tổng 41.8.0 2.67 7.36 0.12 45.79 97.74 Các cấu tử không xác định chiếm 2.26% Các giá trị được cung cấp bởi IFP ThS. Trương Hữu Trì Trang 5
  6. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của một loại xăng thường thương phẩm. Số Thành phần tính theo khối lượng nguyên tử N-parafin Isoparafin Naphten Olefin Aromatic Hợp chất Tổng cacbon % % % chứa oxy % % % % 4 5.14 0.3 0 1.49 0 0 6.93 5 1.26 7.84 0 10.11 0 0.5 19.71 6 0.64 6.34 1.19 5.07 1.23 3 17.47 7 0.65 3.22 1.05 1.56 8.11 0 14.59 8 0.48 11.47 0.43 0.34 13.61 0 26.33 9 0.11 1.12 0.16 0.07 9.49 0 10.95 10 0.01 0.09 0.09 0.02 2.80 0 3.01 11 0 0.1 0 0 0.25 0 0.35 12 0 0.61 0 0 0 0 0.61 13 0 0.01 0 0 0 0 0.01 Tổng 8.29 31.1 2.92 35.49 18.66 3.5 99.96 Các cấu tử không xác định chiếm 0.4% Các giá trị được cung cấp bởi IFP ThS. Trương Hữu Trì Trang 6
  7. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.2.2. Thành phần hoá học của xăng Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon. 1.2.2.1. Thành phần hydrocacbon của xăng Họ parafinic Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i- parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl. Olefin Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ các quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá . . . Các olefine này cũng bao gồmhai loại n-parafin và iso-parafin. Họ naphtenic Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thức chung là: CnH2n và các vòng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có thể có nhánh hoặc không có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn, trong đó các hợp chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, những đồng phân này thường có nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủ yếu là gốc metyl (-CH3) Họ aromatic Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó. 1.2.2.2. Thành phần phi hydrocacbon của xăng Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất của O2, N2, S. Trong các hợp chất này thì người ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường. ThS. Trương Hữu Trì Trang 7
  8. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Trong xăng, S chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả quá trình xử lý HDS. Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ở dạng phenol và đồng đẳng. 1.3. Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng 1.3.1. Xăng của quá trình reforminh xúc tác. Xăng thu được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat. Đây là nguồn nguyên liệu chính để phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứa một hàm lượng các hợp chất aromatic cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95- 102). 1.3.2. Xăng cracking xúc tác: Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu. Trị số octane của xăng này khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ. Thành phần hóa học chứa tới 9- 13% hydrocacbon olefine. Sự có mặt của của các olefine này chính là nguyên nhân làm mất tính ổn định của xăng. 1.3.3. Xăng chưng cất trực tiếp: Phân xưởng chưng cất ở áp suất khí quyển là một phân xưởng quan trọng nhất trong nhà máy lọc dầu có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành nhiều phân đoạn khác nhau. Phần hơi thu được ở đỉnh sau khi ổn định ta sẻ thu được xăng. Loại xăng chưng cất trực tiếp này có chỉ số octan thấp khoảng 54- 65 nên chỉ dùng một lượng ít để phối trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5 và C6) và xăng nặng. Phần xăng nhẹ thường làm nguyên liệu cho quá trình isomer hoá còn phần xăng nặng làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác. 1.3.4. Alkylat Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sản suất xăng có trị số octane cao. Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới. Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phối liệu có trị số ThS. Trương Hữu Trì Trang 8
  9. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm octane cao hầu như không có tạp chất và các hợp chất aromatic đáp ứng yêu cầu sản suất xăng sạch bảo đảm các yêu cầu về động cơ và môi trường. 1.3.5. Các nguồn phối liệu khác Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồn khác như: xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa ... đây là các sản phẩm phụ của các quá trình. Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn, xăng kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no. Cùng các loại xăng trên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây ô nhiễm môi trường trong khói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng các cấu tử được tổng hợp từ các phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE, TAME, methanol, ethanol.. để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi. ThS. Trương Hữu Trì Trang 9
  10. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.4. Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng 1.4.1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng ThS. Trương Hữu Trì Trang 10
  11. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Động cơ xăng là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của nhiên liệu khi bị đốt cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay. Động cơ này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy nổ và giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài. Sơ đồ nguyên lý như sau: Hành trình 1-Kỳ nạp. Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở, xupap thải đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ0 = 0 đến 1800. Trong kỳ nạp tiêu tốn công kéo piston xuống, thể tích xi lanh tăng lên, áp suất trong xi lanh giảm xuống tạo sự chênh lệch áp suất, do đó xăng và không khí từ bộ chế hoà khí được hút vào trong xi lanh. Để tăng lượng kkí nạp trong mỗi chu kỳ thì khi piston đi từ ĐCT xuống, xupap nạp được mở sớm trước ĐCT một góc ϕ1= 10÷450 và đóng muộn sau ĐCD một góc ϕ2 = 40-800. Vì vậy, quá trình nạp trên đồ thị công là: I-a-II, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ1 + 1800 + ϕ2. ThS. Trương Hữu Trì Trang 11
  12. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Đồ thị công và đồ thị phối khí Hành trình 2-Kỳ nén Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, cả hai xupap nạp và thải đều đóng, trục khuỷu quay từ vị trí 1800 ÷ 3600. Trong kỳ nén tiêu tốn công piston đi lên nén hỗn hợp, thể tích xi lanh giảm trong điều kiện hai van đóng nên áp suất hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh tăng lên. Để chuẩn bị cho quá trình cháy được tốt thì gần cuối quá trình nén Bugi bật tia lửa điện sớm trước ĐCT, tại điểm c'. Do vậy, quá trình nén trên đồ thị công là từ điểm II - c'. Hành trình 3 - cháy - giãn nở (kỳ công tác) Piston đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xupap đều đóng, trục khuỷu đi từ vị trí ϕ = 3600 đến 5400. Trong hành trình này, nhờ quá trình cháy làm tăng áp lực trong buồng cháy và áp lực này đẩy piston đi xuống và sinh công, nó bao gồm hai quá trình: cháy và giãn nở. Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c' trước ĐCT một góc đánh lửa sớm ϕ = ϕ1 = 10-300 và kết thúc tại điểm d sau ĐCT, còn quá trình giãn nở bắt đầu từ điểm d và kết thúc tại III. Hành trình 4 - thải khí cháy ra ngoài ThS. Trương Hữu Trì Trang 12
  13. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupap thải mở, xupap nạp đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ = 5400 đến 7200. Trong kỳ thải tiêu tốn công đưa piston đi lên và đẩy sản vật cháy ra ngoài. Xupap thải được mở sớm tại điểm III trước ĐCD một góc ϕ3, nếu ϕ3 quá lớn sẽ tăng tổn thất công giãn nở ở kỳ cháy. Để quá trình thải triệt để các sản vật cháy ra ngoài, xupap thải đóng muộn sau ĐCT một góc ϕ4, tại điểm IV. Quá trình thải được biểu diễn trên đồ thị công là III-b-IV, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ3+1800+ ϕ4, còn đoạn I-r-IV gọi là đoạn trùng điệp, tức cả hai van nạp và thải đều mở. Như vậy, toàn bộ chu trình công tác được thực hiện theo bốn hành trình trong hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hành trình này chỉ có một hành trình cháy và giãn nở là sinh công, còn ba hành trình khác thì phải tiêu tốn công. 1.4.2. Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng Từ việc phân tích hoạt động của động cơ xăng ở trên ta rút ra được những đặc điểm của động cơ này như sau: Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh nó đã được phối trộn với không khí để tạo hỗn hợp cháy, như vậy độ bay hơi của xăng trong buồng cháy không phải là vấn đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình cháy. Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khi màng lửa lan truyền đến. Khi bugie bật lửa thì quá trình cháy bắt đầu, lúc này hỗn hợp trong buồng cháy được chia thành hai phần: Phần thứ nhất là khí cháy, phần thứ hai là hỗn hợp của không khí và nhiên liệu chưa cháy (hỗn hợp công tác), trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao với sự có mặt của oxy không khí thì các hydrocacbon của nhiên liệu sẻ bị biến đổi một cách sâu sắc, cụ thể là chúng sẻ bị oxy hoá để tạo thành các hợp chất có khả năng tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền đến. Trong trường hợp này, nếu như phần nhiên liệu tự bốc cháy nhiều thì nó sẻ làm tăng áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và gây ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy kích nổ. ThS. Trương Hữu Trì Trang 13
  14. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.5. Chỉ tiêu chất lượng của xăng Ngày nay động cơ đã trở thành một bộ phận quan trọng trong đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Bên cạnh những lợi ích to lớn mà chúng mang lại thì động cơ cũng đồng thời thải một lượng rất lớn chất độc hại ra môi trường gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái. Vì vậy, cần thiết phải đặt ra những quy định nhằm hạn chế việc thải các độc hại và thực hiện các quy định này một cách nghiêm túc. Ở gốc độ của nhiên liệu thì cần phải đặt ra cho xăng thương phẩm những chỉ tiêu nhằm bảo đảm được chất lượng đối với người sử dụng và hạn chế được lượng chất độc hại trong khói thải. 1.5.1. Hiện tượng kích nổ và chỉ số octan 1.5.1.1. Hiện tượng kích nổ Như vừa nêu ở trong phần trước, khi bugie bật lửa thì quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng cháy mới được bắt đầu tại bugie còn phần nhiên liệu nằm ở vị trị khác chỉ được cháy khi màng lửa lan truyền đến. Tuy nhiên trong thực tế có một phần nhiên liệu trong buồng cháy bị oxy hoá dẫn đến quá trình tự bắt cháy khí màng lửa chưa lan truyền đến. Nếu như phần nhiên liệu tự bắt cháy này đủ lớn để làm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và tạo ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại thì quá trình cháy này được gọi là cháy kích nổ. Như vậy, trong buồng cháy luôn tồn tại một sự cạnh tranh giữa quá trình cháy do màng lửa lan đến (cháy cưỡng bức) và quá trình tự bốc cháy, quá trình cháy nào chiếm ưu thế là phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được thời gian của quá trình tự bốc cháy theo công thức sau: D = A P-nEXP(B/T) Trong đó: A,B là các hằng số thực nghiệm. ThS. Trương Hữu Trì Trang 14
  15. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Các thông số ảnh hưởng lên thời gian tự bốc cháy bao gồm: Tỷ số nén Hệ số đầy Góc đánh lửa sớm Nhiệt độ và áp suất vào buồng cháy Độ giàu Nhiên liệu Nhiên liệu ảnh hưởng lên quá trình cháy kích nổ này được thể hiện thông qua một khái niệm gọi là chỉ số octan 1.5.1.2. Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng Qua phân tích ở trên cho thấy quá trình cháy trong động cơ xăng có thể là bình thường, có thể là kích nổ chúng phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu, kết cấu và điều kiện vận hành của động cơ. Quá trình cháy được gọi là bình thường khi mặt lửa lan truyền đều đặn với vận tốc trong khoảng 15 ÷ 40 m/s. Còn khi vận tốc lan truyền của mặt lửa quá lớn khoảng 300 m/s thì quá trình cháy trong xylanh xảy ra gần như tức thời kèm theo những tiếng gỏ kim loại như vừa nêu trên thì được gọi là cháy kích nổ. Bản chất của hiện tượng kích nổ rất phức tạp, có nhiều quan điểm để giải thích khác nhau song bản chất của nó là do các hợp chất hydrocacbon trong nhiên liệu nằm ở trước mặt lửa chịu một điện kiện rất khắc nghiệt nên chúng bị biến đổi hoá học một cách sâu sắc để tạo ra những hợp chất mới có khả năng tự bùng cháy. Cụ thể trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao của buồng cháy thì các hydrocacbon kém bền oxy hoá như paraffin dễ dàng bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất chứa oxy như peroxyt, hydroperoxyt, rượu, xeton, axít . . . trong số các hợp chất này thì đáng chú ý nhất là các hợp chất peroxyt, hydroperoxyt đây là những hợp chất kém bền dễ bị phân huỷ tạo ra các gốc tự do để sinh ra các phản ứng chuổi dẫn đến sự tự bốc cháy. Khi nghiên cứu về hiện này người ta đã đi đến kết luận về khả năng chống lại sự tự bốc cháy của các hydrocacbon tăng dần như sau: ThS. Trương Hữu Trì Trang 15
  16. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Parafin mạch thẳng < naphten < olefin mạch thẳng < naphten mạch nhánh không no < parafin mạch nhánh < aromatic. 1.5.1.3. Ảnh hưởng của hiện tượng kích nổ lên động cơ Hỏng join lót giữa nặp và thân máy Làm xói mòn piston và nắp Làm vỡ “cordons” của piston và xecmăng Làm nóng chảy cục bộ piston và xupap Ngoài những ảnh hưởng kể trên thì quá trình cháy kích nổ thường kèm theo việc thải nhiều chất độc hại ra môi trường, làm nóng máy nhanh chóng nên làm giảm nhanh tuổi thọ của động cơ. 1.5.1.4. Chỉ số octan Chỉ số octan là một đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả năng chống lại sự kích nổ của xăng, giá trị của nó được tính bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với n-heptan khi mà hỗn hợp này có khả năng chống kích nổ tương đương với khả năng chống kích nổ của xăng đang khảo sát. Trong hỗn hợp này thì iso-octan có khả năng chống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại n-heptan có khả năng chống kích nổ kém và được quy ước bằng 0. Trong trường hợp trị số octan lớn hơn 100 thì để xác định trị số octan người ta cho thêm vào xăng một hàm lượng Tetraetyl chì rồi tiến hành đo. Trị số octan được tính theo công thức sau: 28.28T IO = 100 + ( 1 + 0.736T + 1 + 1.472T − 0.435216T 2 ) 1/ 2 Trong đó T là hàm lượng Tetraetyl chì ml Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan bao gồm: Tỷ số nén Hệ số đầy Góc đánh lửa sớm ThS. Trương Hữu Trì Trang 16
  17. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Nhiệt độ và áp suất vào Độ giàu 1.5.1.5. Ý nghĩa của chỉ số octan Trị số octan là một chỉ tiêu rất quan trọng của xăng khi dùng xăng có trị số octan thấp hơn so với quy định của nhà chế tạo thì sẻ gây ra hiện tượng kích nổ làm giảm công suất của động cơ, nóng máy, gây mài mòn các chi tiết máy, tạo khói đen gây ô nhiễm môi trường. Ngược lại nếu dùng xăng có trị số octan cao quá sẻ gây lãng phí. Điều quan trọng là phải dùng xăng đúng theo yêu cầu của nhà chế tạo, cụ thể là theo đúng tỷ số nén của động cơ, khi tỷ số nén lớn thì yêu cầu trị số octan lớn và ngược lại. 1.5.1.6. Các phương pháp đo chỉ số octan Thông thường thì chỉ số octan được đo theo hai phương pháp như sau: Phương pháp nghiên cứu (RON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2700 Phương pháp mô tơ (MON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2699 C hai ph ng pháp này u c o trên cùng m t ng c CFR (Cooperative Fuel Research). ây là ng c có m t xylanh có các thông s nh sau: Đường kính xylanh: 82.55 mm Khoảng chạy piston: 114.30 mm Thể tích xylanh: 661 cm3 Tỷ số nén: 4 ÷ 18 Vận tốc quay khi thử nghiệm là cố định Độ giàu điều chỉnh được Để phát hiện ra hiện tượng kích nổ có thể dùng các thiết bị sau: + Capteur từ + Theo tính hiệu + Theo cường độ âm thanh. ThS. Trương Hữu Trì Trang 17
  18. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Điều kiện đo của hai phương pháp này như sau: Các thông số làm việc RON MON Tốc độ quay 600 900 Gốc đánh lửa sớm độ trục khuỷu 13 14 ÷ 16 Nhiệt độ của không khí hút vào oC 48 38 o Nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu c - 149 Cùng một loại nhiên liệu thì RON thường lớn hơn MON, độ chênh lệch của hai phương pháp này được gọi là độ nhạy của xăng, độ nhạy càng thấp càng tốt. Paraffin có độ nhạy thấp còn aromatic có độ nhạy cao. Giá trị của MON cho phép dự đoán khả năng chống kích nổ ở chế độ vòng quay lớn còn RON thì cho phép dự đoán ở chế độ vòng quay nhỏ. Trong hai phương pháp đo ở trên thì tốc độ vòng quay không đổi và động cơ chỉ có một xylanh, nhưng các động cơ trong thực tế luôn có số xylanh lớn hơn một và khi động cơ chạy trên đường thì vận tốc của nó luôn thay đổi tức là chế độ vòng quay thay đổi. Do đó RON và MON thường không đánh giá đúng khả năng chống kích nổ thực của xăng khi động cơ hoạt động. Cả hai phương pháp trên đều cho chỉ số octan với một tốc độ động cơ nhất định, tuy nhiên trong thực tế thì động cơ luôn hoạt động với những tốc độ khác nhau, do đó RON và MON không đánh giá hết được khả năng chống kích nổ của xăng trong thực tế. Để chính xác hơn người ta còn dùng khái niệm chỉ số octan trên đường, ký hiệu IOR. Chỉ số octan này cũng được đo trên động cơ nêu trên nhưng ở điều kiện đo khác và điều đáng chú ý là vận tốc quay của trục khuỷu sẻ thay đổi theo quá trình đo. Giá trị của IOR có thể cao hơn hoặc thấp hơn RON. Trị số octan trên đường được xác định theo công thức IOR = RON – S2/a Trong đó : S độ nhạy, S = RON – MON :a hệ số từ 4.6 ÷ 6.2 phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ ThS. Trương Hữu Trì Trang 18
  19. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Mặt khác do xăng chứa nhiều thành phần có sự khác biệt khá lớn về khả năng chống kích nổ. Thông thường thì phần có nhiệt độ sôi thấp (ngoại trừ izo pentan, benzen) có chỉ số octan thấp, do đó trong một số chế độ làm việc của động cơ có thể xãy ra sự chia tách xăng trong động cơ, dẫn đến trong một thời điểm nhất định nào đó lượng nhiên liệu được nạp vào xylanh chứa nhiều thành phần nhẹ, bốc hơi nhanh nhưng chỉ số octan lại thấp do đó dễ dẫn đến quá trình cháy kích nổ trong một số chu kỳ nhất định. Vì vậy, ngoài ba loại trên thì người ta còn đo chỉ số octan của phần cất có nhiệt độ sôi đến 100oC và được ký hiệu R-100, giá trị của nó luôn nhỏ hơn RON và độ chênh lệch này được gọi là ∆RON 1.5.1.7. Các biện pháp làm tăng chỉ số octan Như trong phần trước ta đã thấy chỉ số octan của xăng chưng cất trực tiếp rất thấp, số lượng ít không đảm bảo được về chất lượng cũng như số lượng. Vì vậy người ta cần có các phương pháp nhằm tăng số lượng và chất lượng của xăng. Các phương pháp này được phân thành ba loại như sau: Phương pháp hoá học Thực hiện các phản ứng hoá học để biến đổi cấu trúc của nguyên liệu xăng ban đầu như RC, FCC, Alkyl hoá, Isomer hoá . . . phương pháp này được dùng rộng rãi và chiếm đại bộ phận xăng thương phẩm. Dùng phụ gia Phương pháp này dùng hoá chất để làm tăng chỉ số octan như nước chì. Phương pháp này ngày nay gần như bị cấm bởi sự độc hại do chì gây ra. Phương pháp dùng các cấu tử có chỉ số octan cao Phương pháp này dùng các cấu tử có chỉ số octan cao để pha trộn vào xăng như MBTE, EBTE, Methanol, Ethanol . . . phương pháp này ngày nay được khuyến khích dùng nhiều bởi những ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường. ThS. Trương Hữu Trì Trang 19
  20. Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.5.2. Tỷ trọng Tỷ trọng của một chất lỏng là tỷ số giữa khối lượng riêng chất đó so với khối lượng riêng của nước được đo ở trong những điều kiện nhiệt độ xác định. Như vậy tỷ trọng là một đại lượng không có thứ nguyên. Người ta thường ký hiệu là ρt1t2, trong đó t1 là nhiệt độ mà tại đó người ta xác định khối lượng riêng của nước, tương tự như vậy t2 là nhiệt độ mà tại đó người ta đo khối lượng riêng của chất cần đo. Trong thực tế ta thường gặp ρ420, ρ415, ρ15.615.6, đối với dầu mỏ và các sản phẩm của nó thì trong tính toán người ta thường dùng tỷ trọng chuẩn ρ15.615.6. Ở Mỹ và một số nước khác người ta còn biểu thị tỷ trong thông qua một đại lượng khác gọi là độ API và giá trị của nó được xác định thồn qua tỷ trọng chuẩn như sau: o 141.5 API = - 131.5 ρ15..6 15 6 Có nhiều phương pháp để xác định tỷ trọng, nhưng thông thường nó được xác định theo 3 phương pháp sau: Phương pháp dùng picnomet Phương pháp dùng phù kế Phương pháp dùng cân thuỷ tĩnh. Theo tiêu chuẩn của châu âu thì giá trị này nằm trong khoảng 720 đến 775 kg/m3. Đối với xăng thì việc xác định tỷ trọng không có nhiều ý nghĩa như đối với dầu thô hay Diesel hoặc một sản phẩm khác, tuy nhiên nó cũng có những ý nghĩa nhất định trong việc điều khiển độ giàu khi bắt đầu khởi động động cơ, ảnh hưởng trực tiếp lên nhiệt cháy thể tích do đó ảnh hưởng lên sự tiêu thụ riêng của nhiên liệu, cụ thể khi tỷ trọng tăng lên thì suất tiêu thụ riêng giảm xuống. 1.5.3. Các chỉ tiêu lên quan đến độ bay hơi Như chúng ta đều biết xăng thương phẩm là một hỗn hợp của nhiều các hợp chất hydrocacbon có nhiệt độ sôi thay đổi trong khoảng rộng. Thực tế, trong khoảng ThS. Trương Hữu Trì Trang 20
Đồng bộ tài khoản