37
dầu/không khí người ta dùng thiết bị phun cỡ cực đại từ 1 ÷ 1,5 nghìn lỗ trên một cm2.
Ngoài ra lò đốt còn có nhiệm vụ:
- Nâng nhiên liệu từ một mức thấp hơn lên mức cao hơn.
- Đưa vào một phần hay tất cả hỗn hợp nhiên liệu/không khí được trộn đều với
một tốc độ sao cho động lượng của nó sẽ kéo theo một lượng không khí phụ
cần thiết để có được độ dài ngọn lửa mong muốn.
- Giữ tuyến lửa bền vững và ngọn lửa thích hợp với hình dạng của lò.
- Hoàn chỉnh sự cháy của những giọt dầu nhỏ trước khi ngọn lửa bị làm lạnh tới khi
khói bốc lên.
Nếu lò cho một ngọn lửa nghiêng một góc hẹp, tốc độ cao thì không khí cháy bị hút
vào ngọn lửa do tác dụng của thiết bị phun.
3.1.3 Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO)
Đối với các dầu madút, yếu tố quan trọng hàng đầu là nhiệt trị cao, điểm chớp cháy
cao, không có vết nước và các hạt rắn. Ngoài những yếu tố này ra, cần phải lựa chọn dầu
cho thích hợp với những điều kiện đặc biệt để sử dụng và lưu trữ dầu. Nếu việc tàng trữ
phải đốt nóng không có khả năng thực hiện được thì nên chọn dầu có độ nhớt thấp. Nếu
việc đốt nóng có khả năng thực hiện được thì các dầu nặng hơn và rẻ hơn có thể sử dụng
được, thêm vào đó kiểu lò cũng có ý nghĩa trong việc chọn lựa.
Ví dụ, ở Anh những yêu cầu ở trên được chia thành các cấp độ khác nhau và các cấp
độ cũng có thể bị thay đổi. Với các dầu madút dùng cho động cơ đi biển của Anh như sau:
Cấp độ E F G H
Điểm chớp cháy (min), °C 65 65 65 65
Độ nhớt , Redwood I ở 380°C, mm2 / s(max) 250 450 2500 7000
Hàm lượng nước (max), % 1 1 1,5 1,5
Nhiệt trị, kcal / kg (min) 10120 9990 9990 9990
Trong các yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút thì yếu tố độ nhớt là quan trọng nhất,
bởi vì độ nhớt thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ. Nếu ở nhiệt độ thấp, độ nhớt lớn thì
không thể điều khiển được sự chảy của dầu.
Hàm lượng lưu huỳnh và tro không quan trọng lắm trong nhiều ứng dụng, song nếu
dùng làm nhiên liệu luyện kim thì hàm lượng lưu huỳnh và tro có thể ảnh hưởng tới vật
liệu bị đốt nóng, tức là các sản phẩm luyện kim.
Một yếu tố quan trọng cuối cùng đó là phải xem xét xem dầu madút đó là dầu chưng
cất hay dầu cặn, bởi vì dầu cặn có chứa một tỉ lệ cao asphalt mà dầu chưng cất không có.
Những loại dầu này được dùng trong các mục đích khác nhau để không ảnh hưởng tới vật
liệu chịu đốt nóng.
3.2 Xăng động cơ
38
Trước khi nền công nghiệp ôtô phát triển, nhiên liệu thu được chỉ bằng cách chưng cất
dầu thô. Phân đoạn naphtha được chưng cất lại cho xăng có khoảng nhiệt độ sôi trong một
vùng nhất định. Đó là sản phẩm cuối để đưa vào sử dụng. Việc tinh luyện bằng cách rửa
với axit và kiềm nhằm mục đích loại bỏ những lượng nhỏ các olefin và cải thiện màu của
xăng. Việc chưng cất trực tiếp dầu thô là bước xử lí đầu tiên dầu thô và phần xăng động cơ
được gọi là xăng trực tiếp (Straight run spirit). Xăng này là phân đoạn tương đối không bị
biến đổi của dầu thô nguyên thuỷ.
Vì nhu cầu của xăng ôtô, máy bay ngày càng tăng nên hiệu suất xăng, chất lượng xăng
cần phải ngày càng được cải thiện. Vì thế, công nghiệp lọc dầu đã đưa vào các quá trình
crackinh các phân đoạn dầu nặng, refominh phân đoạn naphtha nặng, polime hoá các olefin
nhẹ, ankyl hóa isobutan bằng các olefin... Bằng các phương pháp này sản lượng xăng động
cơ thu được từ dầu mỏ tăng lên, và chất lượng xăng cũng tăng. Vì những biến đổi hoá học
kể trên nên tên gọi các xăng thu được từ công nghiệp lọc hoá dầu khá phức tạp.
3.2.1 Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit)
Xăng tự nhiên hay xăng thu được từ khí giếng dầu. Khí giếng dầu chứa chủ yếu 5
hiđrocacbon parafin (từ C
1 đến C5). Ngoài ra, còn có thêm một lượng nhỏ hiđrocacbon
phân nhánh và vòng có điểm sôi rất gần với các hiđrocacbon parafin ở trên (bảng 14).
Bảng 14.
Những tính chất của các hiđrocabon trong khí giếng dầu
Nhiệt độ sôi
(°C)
Nhiệt độ tới hạn
(°C)
Áp suất tới hạn
(at)
Metan − 164 − 95,5 50
Etan − 84 34 50
Propan − 44 97 44
n-Butan + 0,3 - -
iso-Butan − 17 --
n-Pentan 36 197 33
iso-Pentan 30 194 33
n-hexan 69 250 30
Về ý nghĩa thực tế và kinh tế: hai hiđrocacbon đầu tiên không thể ngưng tụ còn các
hiđrocacbon khác cao hơn đều có thể thu hồi được. Thông thường chỉ những hiđrocacbon
cao hơn propan tạo nên xăng tự nhiên.
Có ba phương pháp được sử dụng để thu hồi hiđrocacbon ngưng tụ:
1 - Nén theo các giai đoạn và làm lạnh.
2 - Hấp thụ vào trong dầu sau đó giải hấp thụ lấy hiđrocacbon.
3 - Hấp phụ trên than hoạt động.
Các quá trình (1) và (2) là phổ biến nhất. Quá trình thu hồi được điều khiển để đảm
bảo thu hồi hoàn toàn các pentan và tất cả các hiđrocacbon cao hơn. Trong quá trình đó,
39
một tỉ lệ đáng kể butan đã hoà tan vào trong đó và như vậy sản phẩm có một áp suất hơi có
thể là quá cao đối với xăng ôtô. Một xăng tự nhiên không chứa butan có áp suất hơi Reid là
1,4 kg/cm2 ở 38°C; nhưng nếu xăng chứa 25% butan thì áp suất hơi Reid sẽ tăng lên tới 2,3
kg/cm2. Trong xăng không có butan thì tỉ lệ các hiđrocacbon được tạo nên như sau: các
pentan lớn gấp hai lần hexan, hexan lớn hơn hai lần so với heptan và octan bằng heptan.
Công dụng chính của xăng tự nhiên là dùng để sản xuất các xăng theo yêu cầu của thị
trường bằng cách trộn xăng tự nhiên với các xăng khác. Vì mục đích này áp suất hơi của
xăng hỗn hợp càng cao càng tốt, vì người ta thấy rằng áp suất hơi càng cao thì chỉ số octan
càng cao.
3.2.2 Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô
Thành phần hoá học của xăng cất trực tiếp đã tinh luyện được nghiên cứu cẩn thận hơn
nhiều so với bất kỳ phân đoạn nào của dầu mỏ. Các xăng này gồm các hiđrocacbon
parafin, naphten và aromat. Chúng không chứa các olefin hay các dẫn xuất vòng của
propan, butan hay heptan. Các dẫn xuất vòng có thể là xiclopentan và xiclohexan, thậm chí
có cả benzen và toluen. Tỉ lệ các loại hiđrocacbon thay đổi rất rộng tuỳ theo nguồn dầu
(xem bảng 15).
Như vậy, các naphten và parafin là các cấu tử chính. Xăng cất trực tiếp từ dầu parafin
rất giàu parafin (~70%); dầu trung gian có hàm lượng parafin tới 50%, còn dầu thô asphalt
có hàm lượng parafin khoảng 3% trong xăng cất trực tiếp. Các xăng giầu naphten và
aromat không phổ biến. Dầu thô Borneo cho xăng cất trực tiếp giàu hiđrocacbon aromat.
Bảng 15.
Thành phần của các xăng cất trực tiếp phụ thuộc vào nguồn dầu
Thành phần (%)
Khối lượng riêng
ở 15°C (g/cm3)
Điểm kết thúc
(°C) Aromat Naphten Parafin
Pensylvania 0,732 207 7 18 75
Oklahoma 0,739 177 10 29 61
Texas 0,750 150 33 21 57
Mehico 0,727 200 10 35 55
Romania 0,736 150 12 30 54
Xăng cất trực tiếp thường lấy trong giới hạn từ 40°C ÷ 200°C. Trong khoảng nhiệt độ
này những hiđrocacbon cao cũng bay hơi tạo nên thành phần của xăng (bảng 16).
Bảng 16. Các hiđrocabon trong xăng cất trực tiếp
+ Các n-parafin
Công thứcNhiệt độ sôi (°C) Khối lượng riêng
ở 20°C (g/cm3)
Nhiệt dung riêng
(cal/g.°C)
Nhiệt hoá hơi
(cal/g)
40
Pentan C5H12 37 0,63 - 85,5
Hexan C6H14 69 0,66 0,527 70,4
Heptan C7H16 98 0,68 0,507 76,5
Octan C8H18 125 0,78 0,505 71,0
Nonan C9H20 150 0,72 0,503 -
+ Các naphten
Công thức Nhiệt độ sôi
(°C)
Khối lượng riêng
ở 20°C (g/cm3)
Nhiệt dung riêng
(cal/g.°C)
Nhiệt hoá hơi
(cal/g)
Xiclo-pentan
C5H10 49,5 0,754 - -
Xiclo-hetan C6H12 81,4 0,779 0,506 87
Xiclo-heptan
C7H14 118,0 0,811 - -
Xiclo-octan C8H16 150,6 0,839 - -
Xiclo-nonan
C9H18 172,0 0,770 - -
Chúng ta thấy rằng đối với một xăng, tỉ lệ của phần cất càng cao ở một nhiệt độ thấp
thì mức độ bay hơi của xăng càng cao. Nhưng xăng cất trực tiếp theo kiểu này bản thân nó
chưa thể là xăng thích hợp cho động cơ ôtô vì các đặc trưng sử dụng của xăng chưa thỏa
mãn.
3.2.3 Xăng crackinh và xăng refominh
3.2.3.1 Giới thiệu chung
Những đặc trưng cơ bản của một xăng ôtô là gì ?
Những đặc trưng này gồm hai loại:
1 - Những đặc trưng gắn liền với đường cong chưng cất (xem phụ lục 2);
2 - Những đặc trưng gắn thành phần hoá học của các hiđrocacbon có mặt trong xăng.
Để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta theo dõi quá trình của xăng từ bình chứa tới khi ra
khỏi động cơ đốt trong.
Xăng đi tới bộ chế hoà khí qua ống dẫn. Nếu xăng quá dễ bay hơi, nó sẽ hoá hơi một
phần dưới tác dụng của nhiệt toả ra từ động cơ và hình thành trong ống dẫn những bọt khí.
Bọt khí này làm gián đoạn dòng xăng chảy vào bộ chế hoà khí. Bởi vậy, cần thiết phải điều
chỉnh ngay tại nhà máy lọc dầu áp suất hơi của xăng ở dưới một giới hạn thích hợp mà áp
suất này trong mùa đông sẽ cao hơn mùa hè.
Xăng tiếp tục đi qua bộ chế hoà khí tạo nên một hỗn hợp với không khí. Người ta dễ
dàng nhận thấy rằng dạng của đường cong chưng cất xăng có một ảnh hưởng đáng kể trước
41
hết lên sự chế hoà khí, sau đó lên cách mà hỗn hợp xăng/không khí (kk) sẽ hoạt động
trong động cơ.
Khi khởi động động cơ, hỗn hợp nhiên liệu và không khí cần phải tương đối giầu để có
thể bốc cháy mặc dù xăng bị ngưng tụ khá nhiều khi bị tiếp xúc với các ống làm lạnh. Nói
chung, người ta chấp nhận nhiệt độ sôi của điểm 10% đặc trưng cho khởi động máy. Nhiệt
độ sôi này thường nằm trong khoảng giữa 50°C và 60°C đối với các ôtô và máy bay.
Sự làm việc bình thường của động cơ và đặc biệt khi tăng tốc phụ thuộc vào sự hoá
hơi hoàn toàn của toàn bộ nhiên liệu, người ta chấp nhận rằng nhiệt độ sôi của điểm trung
bình, điểm 50%, đảm bảo hoạt động này. Đối với các xăng thông thường, nhiệt độ này
thường nằm giữa 90 và 110°C.
Điểm sôi cuối cùng, cần thiết là xăng không chứa các phân tử nặng khó bay hơi hoàn
toàn trong các điều kiện bình thường, nếu không có thể gây nên sự hoà loãng nhanh dầu
của cacte. Mặt khác, sự có mặt của các phân tử nặng có thể gây nên những bất tiện khác
đối với động cơ khi động cơ quay nhanh bởi vì sự cháy của các phân tử nặng không
nhanh bằng các phân tử nhẹ. Với các động cơ 4000 vòng quay hay lớn hơn, động cơ sẽ
thải ra muội do xăng cháy không hoàn toàn.
Những phép đo chính xác đã chứng minh rằng sự phân bố của hỗn hợp xăng/không
khí càng bất thường trong xilanh khi nhiệt độ của điểm 90% càng cao.
Vì tất cả các nguyên nhân này, điểm cuối cùng của đường cong chưng cất nói chung
được giữ ở dưới 190°C đối với các xăng cho ôtô. Còn các xăng cho máy bay, điểm cuối
cùng của đường cong chưng cất là trước 170°C.
Chúng ta thấy rằng việc phân đoạn cẩn thận của xăng là rất quan trọng và các nhà máy
lọc hoá dầu quan tâm đến vấn đề này suốt trong quá trình sản xuất.
Ngược lại, người ta thấy rằng 2 xăng có cùng đường cong chưng cất, cùng một nhiệt
trị nhưng có thể có sự khác nhau rất lớn về hiệu suất trong một động cơ. Sở dĩ như vậy vì
đặc trưng cho xăng còn có khả năng chống kích nổ.
Năm 1927, Graham Edgar đã đưa ra thang octan. Đầu cao là iso-octan (2,2,4-
trimetylpentan) một chất chậm nổ nhất trong số 18 đồng phân của octan. Đầu thấp là n-
heptan một chất dễ nổ nhất trong 9 đồng phân của heptan và quy định tương ứng cho
những hiđrocacbon trên các giá trị 100 và 0. Đó là thang chỉ số octan.
Để xác định chỉ số octan của một xăng người ta sử dụng động cơ CFR (Cooperative of
Fuel Research). Đó là động cơ có 1 xilanh và tỉ lệ nén có thể thay đổi được. Tỉ lệ nén có
thể thay đổi bằng cách điều chỉnh sao cho thu được sự nổ của xăng cần xác định chỉ số
octan. Như vậy, sự nổ của xăng tuỳ thuộc vào động cơ. Để các phép đo có tính lặp lại thì
cần phải giữ các điều kiện đo thật chính xác, đặc biệt là chế độ quay của động cơ, chế độ
này sẽ quyết định sự ma sát cũng như thời gian tiếp xúc giữa không khí và hiđrocacbon.
Tùy theo cách làm việc của động cơ người ta có thể thu được:
- Chỉ số octan nghiên cứu F1 (RON) hay phương pháp F1 với động cơ quay 600
vòng/phút.
- Chỉ số octan môtơ F
2 (MON) hay phương pháp F2 với động cơ quay 900
vòng/phút.