Luận văn Nghiên cứu và sản xuất xăng pha cồn công nghiệp

lượng nước lẫn vào trong nhiên liệu sẽ ít hơn. + Khi sử dụng MTBE thì nguy cơ gây cháy nổ ít hơn so với rượu. Nhược điểm: + Giá thành MTBE khá cao, trong khi đó phải pha vào xăng với lượng khá lớn (tối đa đến 15%) mới làm tăng đáng kể ON. + MTBE được điều chế chủ yếu bằng phương pháp tổng hợp từ i_Buten (i_Buten được tạo ra từ phản ứng đehydro hoá i_Butan) mà nguồn nguyên liệu này không phải dễ kiếm. + MTBE cũng ảnh hưởng đến độ bay hơi của nhiên liệu (nhiệt độ thành phần cất 50%). + MTBE độc hại đối với con người và môi trường nước. Bảng 9. Tổng hợp các ưu, nhược điểm chung của phụ gia Oxygen Loại phụ gia Ưu điểm Nhược điểm Metanol - Rẻ - Dễ kiếm - Dễ tan trong nước - Làm giảm RPV - Làm tăng khả năng cháy nổ - Độc hại cho người sử dụng Ethanol -Nhiên liệu cháy sạch, ít tạo cặn bẩn. - Dễ tan trong nước - Làm giảm RPV - Làm tăng khả năng cháy nổ TBA/Metanol - Không tạo ra các pha phân tách - Nhiệt độ chảy mềm khá cao - Hoà tan được nước - Làm tăng khả năng cháy nổ MTBE - Không làm thay đổi RPV - Ít hoà tan với nước - Đắt - Làm tăng khả năng bay hơi của phân đoạn giữa - Tạo ra những khí độc hại Phụ gia họ Oxygen thường có ON rất cao (trên 100); do vậy chúng có thể thay thế hoàn toàn các chất phụ gia có chứa chì để tạo ra xăng có ON cao. Lượng tối đa các chất phụ gia họ Oxygen được pha trộn vào xăng bị giới hạn bởi luật pháp. Tiêu chuẩn của Cộng đồng chung Châu Âu – EC.CN.228 quy định rất rõ về giới hạn này. Mức độ tối đa các chất phụ gia này cho phép pha vào xăng không được quá quy định và nằm trong khoảng từ 10 ¸ 12%. 4.2. Các loại phụ gia khác Ngoài phụ gia làm tăng trị số octan kể trên, để xăng đáp ứng được các yêu cầu của động cơ, người ta còn pha vào xăng các loại phụ gia khác [4]: + Phụ gia chống ôxy hoá. + Phụ gia tẩy rửa/tăng cường khả năng khuếch tán. + Phụ gia biến đổi cặn. + Các loại phẩm màu. + Phụ gia chống ăn mòn Giới thiệu về Etanol 1. Tính chất lý hoá của etanol Ethanol tinh khiết là chất lỏng không màu. Nó có thể hòa tan được với bất kỳ tỷ lệ nào của nước và cả axeton, benzen và một vài dung môi hữu cơ khác. Ethanol khan hút ẩm mạnh và lượng nước (ẩm) có thể đạt tới 0,3 ¸ 0,4%. Một vài tính chất vật lý của Ethanol khan được thể hiện trong bảng 10 [4]. Bảng 10. Các tính chất vật lý của Ethanol khan Nhiệt độ sôi 78,39 0C Nhiệt độ đông đặc -114,15 0C Tỷ trọng: + d415 + d420 + d1515 + d2020 0,79356 0,78942 0,79425 0,79044 Nhiệt dung riêng CP (16 ¸ 21 0C) 2,415 J/ g.K Nhiệt nóng chảy 4,64 KJ/ mol Nhiệt hoá hơi ở: + 70 0C + 80 0C + 100 0C 855,66 KJ/ Kg 900,83 KJ/ Kg 799,05 KJ/ Kg Nhiệt đốt cháy (thể tích không đổi) 1370,82 KJ/ mol Độ dẫn nhiệt ở 20 0C 18 mW/ m.K Độ nhớt động, h 1,19 mPa.s Hệ số giãn nở thể tích 1,1. 10-3 K-1 Nhiệt lượng của hỗn hợp gồm 30% (TL)Etanol + 70% (TL) Nước ở 17,33 0C 39,32 J/ g Điểm chớp cháy cốc kín 13 0C Nhiệt độ tự bốc cháy 425 0C Giới hạn nổ (lượng Etanol trong hỗn hợp với KKhí ) + Giới hạn dưới: 3,5% TT + Giới hạn trên: 15% TT 67 g/ cm3 290 g/ cm3 Áp suất nổ cực đại 736 KN/ m2 Độ dẫn nhiệt riêng 135 10-11 W-1cm-1 Sức căng bề mặt ở 20 0C 22,03 mNm Hệ số khuếch tán trong pha hơi ở 200C và 101,3 KPa 0,12 cm-1 Tính chất hoá học của Ethanol được quyết định bởi nhóm chức – OH và do đó Ethanol có thể tham gia các phản ứng hoá học quan trọng trong công nghiệp như phản ứng đehydrat, halogen hoá, oxi hoá và phản ứng este hoá. 2. Sản xuất Etanol Ethanol được sản xuất từ bất kỳ nguồn nguyên liệu nào có chứa một lượng đáng kể đường hoặc từ tinh bột và Xenluloza tạo thành đường [11,35]. Ethanol có thể được sản xuất từ: Quá trình lên men đường nhận được từ tinh bột gạo (lúa mì và ngũ cốc), củ cải đường hoặc sử dụng vi sinh vật; Sử dụng phế thải từ gỗ, vụ mùa, phế thải ở đô thị và của quá trình chế biến thực phẩm; Quá trình tổng hợp như Hydrat hoá trực tiếp Etylen (nhận được từ dầu mỏ); hoặc quá trình chuyển hoá ở nhiệt độ cao của than đá thành nhiên liệu lỏng (quá trình Fischer Tropsch) cũng tạo ra phần lớn Ethanol bên cạnh các sản phẩm khác như: Propanol, Pentanol. a. Sản xuất Etanol từ đường Enzym từ men rượu được dùng để lên men gốc đường trong đường mía và trong củ cải đường để tạo thành Ethanol. Sáu nguyên tử Cacbon của gốc đường (phần lớn là Glucoza) trong đường mía và củ cải đường được lên men trực tiếp tạo thành Ethanol. Lên men Phản ứng hoá học tạo Ethanol từ đường được mô tả như sau: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q Đầu tiên, đường được làm sạch bằng cách ép, ngâm tẩm và dùng các biện pháp xử lý hoá học. Sau đó nước rỉ đường được lên men tạo thành Ethanol bằng cách sử dụng Enzym (từ men rượu). Bước cuối cùng là tiến hành làm tinh khiết Ethanol từ quá trình chưng tách hỗn hợp đẳng phí Ethanol – Nước (Ethanol chiếm từ 93 ¸ 95%); còn lại là nước và các thành phần khác. Để cho quá trình chưng tách tốt nhất thì sử dụng thêm dung môi Cyclohexan. Bên cạnh đó, để làm tinh khiết Ethanol có thể sử dụng các rây phân tử. Trong quá trình sản xuất Ethanol, các axit amin tự nhiên có mặt trong rỉ đường bị khử để tách nhóm amin ra khỏi hợp chất và tạo thành hỗn hợp các rượu (gọi là dầu cặn rượu – Fusel Oil) – đây là các sản phẩm phụ. Các loại rượu FO này là iso_amylalcol, n_Propanol và PhenylEtanol; đây là nguồn nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất nước hoa. b. Sản xuất Ethanol từ các loại hạt Trong quá trình sản xuất Ethanol, chỉ có thành phần tinh bột của các loại hạt như ngũ cốc, lúa mì, lúa mạch được sử dụng; lượng tinh bột này phần lớn trong hạt lúa mì. Ngoài ra, một số loại vỏ và thân cây khô cũng được sử dụng. Nếu việc sử dụng phế thải có chứa Xenluloza gia tăng được quá trình lên men đường, thì quá trình sản xuất Ethanol từ các loại hạt có hiệu quả hơn. c. Quá trình tổng hợp Ethanol Ethanol thương mại được sản xuất từ Etylen bằng phản ứng trực tiếp của nước tinh khiết với khí Etylen. Quá trình hydrat hoá trực tiếp này là phương pháp thương mại có hiệu quả nhất về mặt công nghệ và môi trường để tạo Ethanol có chất lượng cao. Phản ứng hoá học cơ bản của quá trình này xảy ra khi hơi nước kết hợp với Etylen ở áp suất và nhiệt độ cao với sự có mặt của xúc tác H3PO4. Xúc tác Phản ứng hoá học của quá trình sản xuất Ethanol từ Etylen như sau: CH2 = CH2 + H2O CH3CH2OH Etylen Nước Ethanol Phản ứng chính này tạo ra dung dịch Ethanol thô. Sau đó, Ethanol được tách ra khỏi Etylen chưa chuyển hoá, được tuần hoàn và nồng độ tăng lên khi qua các tháp chưng tách. Tiếp theo, Ethanol được qua quá trình Hydro hoá để chuyển các thành phần chưa bão hoà thành dạng khác mà chúng có thể tách ra dễ dàng khi chưng tách. Tuy nhiên nước trong Ethanol không tách triệt để trong quá trình chưng tách để sản xuất Ethanol có độ tinh khiết cao. Theo công nghệ Fischer Tropsch (đã sử dụng ở Nam Phi), quá trình này tiến hành ở nhiệt độ cao và Ethanol chỉ là sản phẩm phụ bên cạnh các loại rượu cao hơn như Propanol, Butanol và Pentanol. Hầu hết các nhiên liệu chứa 10 ¸ 20% Ethanol đã chấm dứt sử dụng do yêu cầu hàm lượng Ethanol cao trên thị trường (vì Nam Phi có độ cao hơn 1500 m so với mặt nước biển). Ảnh hưởng của hàm lượng 95%V Ethanol/ 5%V các rượu bậc cao (C3+) đến sự cải thiện ON và hoạt động của nhiên liệu pha cồn có thể được so sánh với Ethanol tinh khiết (99,9%) từ quá trình lên men ở California. d. So sánh quá trình sản xuất Ethanol từ việc lên men vàø tổng hợp hữu cơ Chi phí cho quá trình sản xuất Ethanol từ quá trình Hydrat hoá Etylen (Ethanol tổng hợp) hoặc từ quá trình lên men (Ethanol lên men) phụ thuộc chủ yếu vào giá nguyên liệu thô ban đầu. Vì Etylen nhận được từ các sản phẩm của quá trình lọc dầu nên khi giá dầu thô tăng thì quá trình lên men có tính kinh tế hơn quá trình tổng hợp Ethanol. Chi phí sản xuất Ethanol lên men có thể giảm đáng kể nếu sử dụng các công nghệ mới và cải tiến kỹ thuật để có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu thô giá rẻ như gỗ, chất thải công nghiệp và dân dụng,... Từ các số liệu phân tích được cho thấy rằng: chi phí cho quá trình tổng hợp Ethanol từ Etylen (vào năm 1986) là 350 USD/tấn; trong khi đó Ethanol từ quá trình lên men rỉ đường mía chỉ là 45 USD/tấn. 3. Ứng dụng của Etanol Ethanol là một hợp chất hoá học có nhiều ứng dụng: Các đồ uống có cồn (bia, rượu,...); Dung môi; Nguyên liệu thô cho các quá trình tổng hợp hoá học; Dùng làm nhiên liệu cho động cơ. Ở hầu hết các quốc gia, Ethanol từ quá trình lên men được sử dụng trong các loại đồ uống có cồn và trong các chất hoá học đặc biệt; còn Ethanol từ quá trình tổng hợp được sử dụng vào mục đích công nghiệp [3]. Tuy nhiên, ở vài nước như Braxin và Ấn Độ thì Ethanol lên men còn được sử dụng trong các mục đích công nghiệp. a. Dung môi Ethanol là một trong những dung môi quan trọng nhất sau nước. Ethanol được dùng trong công nghiệp mỹ phẩm, bột giặt, chất tẩy rửa, dược phẩm, thực phẩm, chất hoạt động bề mặt. Cả hai loại Ethanol tổng hợp và Ethanol lên men đều có thể sử dụng cho các mục đích này; tuy nhiên Ethanol lên men được sử dụng phổ biến hơn cho các nhu cầu của con người như mỹ phẩm, dược phẩm,... Số lượng Ethanol dùng làm dung môi ngày càng tăng. Ví dụ: ở Mỹ từ 1960 ¸ 1979 lượng Ethanol làm dung môi tăng từ 197.000 ¸ 340.000 tấn. Tại Nhật, từ 1974 ¸ 1978 tổng lượng Ethanol sử dụng làm dung môi tăng 28%. b. Nguyên liệu thô Trong bảng 11 mô tả các sản phẩm quan trọng nhận được từ Ethanol ở Mỹ. Lượng Ethanol sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp hoá học chiếm 37,6% tổng lượng Ethanol được sử dụng ở quốc gia này trong một thời gian dài. Ở Mỹ, lượng Ethanol sử dụng làm nguyên liệu thô đạt cực đại vào năm 1960 (627.000 tấn) và sau đó giảm dần. Lượng Ethanol sử dụng cho quá trình tổng hợp hoá học vào năm 1979 chỉ bằng 1/3 so với năm 1960. Nguyên nhân chính cho sự giảm này là việc sử dụng Etylenglycol tốt hơn so với Ethanol trong chất đông lạnh; hay sử dụng Etylen và Etan thay thế Ethanol trong sản xuất Axetaldehyt; Etylhexanol và Butyraldehyt từ các nguyên liệu thô khác[25]. Bảng 11. Các sản phẩm hoá học từ Ethanol ở Mỹ (từ 1-7-1978 ¸ 30-6-1979) Sản phẩm Tổng lượng Ethanol, lít Giấm 73.853.912 Etyl axetat 33.190.215 Etylclorua - Các Etyl este 84.679.089 Natri etylat 4.180.679 Etylen amin cho quá trình tổng hợp cao su 35.208.990 Thuốc nhuộm và các hợp chất trung gian 1.357.936 Axetaldehyt - Dietyl ete 327.524 Ete, glycol (bao gồm cả Dietyl Ete) 11.419.306 Các hợp chất Xantan 752.425 Dược phẩm 2.518.511 Các sản phẩm Silic hữu cơ 126.683 Các sản phẩm hoá học khác 9.733.531 Nhựa tổng hợp 12.609.456 Tổng 271.528.405 Vào năm 1977, có 158.106 l Ethanol (1 tấn = 1260 l ) được sử dụng làm nguyên liệu thô cho quá trình tổng hợp hoá học ở Châu Âu; lượng lớn hơn dùng làm dung môi . Ở các nước này, khoảng 55% Ethanol nhận được từ quá trình lên men. Ở Ấn Độ, vào năm 1978 hơn 50% tổng lượng Ethanol dùng để tổng hợp hoá học. Các sản phẩm từ Ethanol như Axetaldehyt, Axit axetic, Anhydric axeticvà DDT (Diclo, Diphenyl, Tricloetan) có tầm quan trọng của quá trình sản xuất các Axetat hữu cơ, Glycol, Polyetylen, Styren, VA và các sản phẩm hoá học khác. c. Dùng làm nhiên liệu Hiện nay trên thế giới, rất nhiều quốc gia đã sử dụng etanol để pha vào nhiên liệu động cơ. Ngoài mục đích làm tăng trị số octan, etanol làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn và cháy sạch hơn làm giảm ô nhiễm môi trường do khói thải động cơ. Do nguồn nhiên liệu hóa thạch dang dần cạn kiệt, rõ rệt nhất là trong những năm gần đây giá xăng dầu liên tục tăng. Vấn đề cấp bách hiện nay là tìm được một nguồn nhiên liệu thay thế. Bên cạnh việc sử dụng LPG, LNG, thì Fuel - Ethanol thay thế 10 ¸ 20% xăng dầu khoáng dùng cho động cơ đốt trong, đốt lò công nghiệp,... trong vòng 10 ¸ 20 năm tới. Đây là các dạng nhiên liệu sạch, đặc biệt là Ethanol nhiên liệu không chỉ là nhiên liệu mà dạng nhiên liệu này không bao giờ cạn kiệt như các nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ vì chúng được sản xuất từ thực vật. Vấn đề sản xuất “nhiên liệu sạch” đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm và phát triển rất nhanh trong gần 30 năm qua. Ưu điểm- nhược điểm khi pha etanol vào xăng 4.1. Ưu điểm - Làm tăng ON cho xăng động cơ tương tự như các phụ gia oxygen khác. - Ethanol chứa 11% ôxy, không chứa các hợp chất lưu huỳnh, không có chất độc hại, khi pha vào xăng làm cho xăng cháy hoàn toàn. Lượng khí GHG giảm 25 ¸ 30%, muội đen giảm tối đa so với khi sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Điều này không những làm giảm ô nhiễm môi trường mà còn có nhiều hiệu quả về mặt kinh tế vì lượng xăng dầu pha Ethanol sẽ tiết kiệm 7 ¸ 10% lượng xăng dầu hao hụt do động cơ cháy không hết. Để thấy được sự thay đổi về thành phần khí thải khi sử dụng cùng một loại xăng có pha thêm phụ gia tăng ON như MTBE, Ethanol theo các tỷ lệ khác nhau đối với loại động cơ không sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác và có sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác hãy xem các biểu đồ dưới đây. [9,13] Kh«ng cã xĩc t¸c Cã xĩc t¸c Oxy ho¸ Không có xúc tác Có xúc tác Oxy hoá - Ethanol được sản xuất chủ yếu từ các nguồn nguyên liệu thực vật, cho giá thành rẻ. 4.2. Nhược điểm - Khi pha etanol vào xăng làm giảm nhiệt cháy của nhiên liệu. Do đó làm giảm công suất của động cơ. - Etanol tinh khiết dễ bị hút ẩm, do vậy trong quá trình bảo quản dễ xảy ra hiện tượng phân tách pha gây khó khăn cho quá trình khởi động của động cơ, quá trình vận chuyển nhiên liệu, động cơ dễ bị hỏng.[16] - Khi pha etanol vào xăng làm thay đổi áp suất hơi bão hoà của xăng.[21] IV. Nghiên cứu về quá trình tách pha của xăng pha cồn và biện pháp khắc phục 1. Giới thiệu Mặc dù Ethanol và Metanol đều hoà tan hoàn toàn trong nước; tuy nhiên độ hoà tan của chúng trong nhiều loại xăng phụ thuộc vào cả nhiệt độ và thành phần của xăng. Quá trình pha trộn Metanol hoặc Ethanol vào xăng dẫn đến tạo nên hỗn hợp có các tính chất khác với xăng chưa pha trộn. Bên cạnh đó, nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn xăng thông thường. Khi pha cồn với lượng nhỏ hơn 20% thì sẽ góp phần: Tăng trị số Octan và áp suất hơi trong xăng pha trộn; Giảm nhiệt độ các thành phần cất của hỗn hợp xăng pha cồn; Giãn nở một lượng thể tích nhỏ. Xăng pha cồn rất nhạy với sự có mặt một lượng nhỏ nước, thậm chí tại nhiệt độ phòng. Vì Ethanol và Metanol phân cực mạnh nên các phân tử này hoạt động mạnh và kết hợp với các phân tử nước nhờ liên kết hydro. Kết quả của quá trình này là xăng pha cồn bị tách ra làm 2 pha. Pha bên trên chủ yếu là các hydrocacbon parafin; pha bên dưới gồm chủ yếu là rượu, nước và một lượng nhỏ các hydrocacbon thơm. [10] Xăng được pha trộn với phụ gia oxi hoá đều liên quan tới quá trình tách pha nước. Nước trong xăng có thể tác động khác nhau đến động cơ phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt nó trong dung dịch hay trong pha tách, và còn phụ thuộc vào từng loại động cơ. Quá trình tách nước trong nhiên liệu có thể gây tổn hại đến động cơ; một lượng nhỏ nước trong xăng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ phận của động cơ. Nếu có sự phòng ngừa nước lọt vào hệ thống nhiên liệu thì quá trình tách nước sẽ bị hạn chế rất nhiều. Quá trình tách pha của nhiên liệu pha cồn có thể dẫn đến sự đóng băng trong đường ống dẫn nhiên liệu và làm giảm độ linh động của nhiên liệu. Đối với các động cơ nhạy với nhiên liệu (FFVs) thì sự có mặt nước trong hỗn hợp nhiên liệu có thể làm cho bộ phận điều khiển (sensor) hoạt động không bình thường, ảnh hưởng xấu đến độ linh động của nhiên liệu. [33] Vì vậy việc nghiên cứu quá trình tách pha và các biện pháp chống tách pha của nhiên liệu pha cồn là rất quan trọng trong công nghệ chế tạo nhiên liệu sạch. 2. Ảnh hưởng của quá trình pha cồn vào xăng 2.1. Tăng trị số Octan Các Alcol và ete hầu hết đều có trị số Octan cao hơn xăng (bảng 12). Bảng 12. Trị số Octan của xăng và các phụ gia Oxygen Hợp chất Trị số Octan, (R + M)/2 Xăng 87 Ethanol 98 Metanol 100 MTBE 110 ETBE 112 Khi các Alcol và ete được trộn vào xăng thì sẽ góp phần tăng ON của xăng pha trộn. Do đó, xăng pha cồn có ON cao hơn xăng thông thường. Metanol có ON là 108; còn Ethanol là 106. Khi sử dụng 10% Ethanol thì sẽ làm tăng ON của xăng từ 2,5 ¸ 3 đơn vị. Ảnh hưởng của Ethanol đến 4 loại xăng: chưng cất trực tiếp, Cracking nhiệt, Cracking xúc tác và xăng Polyme hoá (xăng trùng hợp) được thể hiện trong hình 1. [18] 100 90 80 70 60 50 40 0 5 10 15 20 25 100 90 80 70 60 50 40 0 5 10 15 20 25 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp động cơ Trị số Octah, ON Phần trăm Ethanol trong nhiên liệu, %TT Xăng trùng hợp Cracking xúc tác Xăng Cracking nhiệt Xăng chưng cất trực tiếp Xăng trùng hợp Cracking xúc tác Xăng Cracking nhiệt Xăng chưng cất trực tiếp Hình 1. Độ tăng trị số Octan của một vài loại xăng pha trộn Ethanol 2.2. Giảm nhiệt cháy Vì nhiệt cháy của Ethanol là 76.000 Btu/gallon và chỉ bằng khoảng 2/3 so với xăng (109.000 ¸ 119.000 Btu/gallon) nên khi pha cồn vào xăng thì nhiệt cháy của xăng pha cồn kém hơn so với xăng thông thường (bảng 13) [28]. Bảng 13. Nhiệt cháy của xăng pha Ethanol Phần trăm thể tích Nhiệt cháy, Btu/gallon Tỉ lệ nhiệt cháy so với xăng thông thường Ethanol (99,5%) Xăng (100%) 0 100 109.000 1,000 10 90 105.662 0,969 20 80 102.324 0,938 30 70 98.986 0,908 100 0 76.000 0,697 Chú thích: 1 gallon = 4,546 l (Anh) và = 3,785 l (Mỹ). 1 Btu = 2,930.10-4 KWh = 0,293 Wh = 1,055 KJ =1,055.10-3J Do sự giảm nhiệt cháy trên 1 đơn vị diện tích nên đòi hỏi cần gia tăng tốc độ nạp liệu để đảm bảo sự hoạt động của động cơ được bình thường. Khi đó, nhiệt cháy của nhiên liệu trên 1 đơn vị diện tích phụ thuộc vào tỉ lệ đương lượng giữa không khí và nhiên liệu. Do đó, nếu xăng pha cồn với hàm lượng cao được thay thế cho xăng thông thường trong động cơ xe mô tô thì cần phải duy trì tỉ lệ không khí phù hợp cho quá trình cháy. 2.3. Quá trình tách pha của xăng pha phụ gia Oxygen Các nhiên liệu pha hợp chất chứa ôxy thường chứa Ethanol và MTBE; ngoài ra còn có các hợp chất khác như ETBE, TAME, TBA. Về mặt hóa lý, Ethanol và MTBE có sự khác nhau. Ví dụ: Ethanol hoà tan dễ dàng trong nước và có thể tan vô tận vào nước. Trong khi đó, MTBE rất ít tan với nước (cỡ 4,3% thể tích- tại nhiệt độ phòng). Do đó, xăng pha trộn Ethanol có thể hoà tan nước nhiều hơn xăng thông thường; trong khi đó xăng pha MTBE hoà tan nước như xăng thông thường. Vì Ethanol hoà tan nhanh chóng vào nước nên khi Ethanol được sử dụng làm tăng ON cho xăng; nước sẽ hoà tan trong xăng pha trộn nhiều hơn trong xăng thông thường. Khi hàm lượng nước có trong xăng lớn hơn mức hoà tan cực đại thì nước sẽ tách ra khỏi hỗn hợp. Lượng nước yêu cầu (so với % thể tích tổng thể) cho quá trình tách pha này xảy ra phụ thuộc vào nhiệt độ (được thể hiện trong hình 6). Ví dụ: ở nhiệt độ 600F (xấp xỉ 160C), nước có thể bị hấp thụ trong xăng pha trộn chứa 90% xăng và 10% Ethanol và hàm lượng này có thể đạt tới 0,5% thể tích trước khi bị tách pha. -40 -20 0 20 40 60 80 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Lượng nước, %TT Nhiệt độ, F t độ, 0F Hình 2. Hàm lượng nước cho phép trong xăng pha 10% Ethanol MTBE có ái lực với nước kém hơn so với Ethanol nên quá trình tách pha trong xăng pha MTBE dễ xảy ra với một lượng nhỏ nước. Nước có thể vào động cơ bằng hai con đường: Nước có sẵn trong nhiên liệu hoặc do quá trình tách pha từ xăng. Nước trong dung dịch đóng vai trò là chất trơ trong quá trình cháy và được thải ra ngoài bằng hệ thống xả. Sự tác động của nước trong dung dịch đến xăng động cơ làm giảm tính kinh tế của nhiên liệu. Do đó, một lượng nước lớn sẽ ngăn cản sự hoạt động của động cơ, gây tổn hại cho động cơ. Đối với xăng pha cồn thì quá trình tách nước sẽ gây tổn hại cho động cơ hơn xăng thông thường và xăng pha MTBE. Xăng pha trộn với các hợp chất chứa ôxy có thể chứa nước nhiều hơn xăng thông thường; thậm chí đủ lượng nước ngưng tụ từ không khí để dẫn đến quá trình tách pha xăng – nước. Nước có thể vào xăng bằng con đường khác là từ quá trình hấp thụ hơi nước từ không khí. Nước ở trạng thái hơi có thể hoà tan trong xăng. Không khí có độ ẩm càng cao thì càng dễ hoà tan vào trong xăng. Ví dụ: ở nhiệt độ không đổi là 1000F và độ ẩm là 100% thì phải mất trên 200 ngày để bão hoà 1 gallon xăng (giả sử nước chỉ lấy từ hơi nước trong không khí). Quá trình hấp thụ nước từ không khí thấp ở nhiệt độ và độ ẩm thấp: tại nhiệt độ 700F và độ ẩm 70% thì phải mất 2 năm để bão hoà 1 gallon xăng thông thường [10]. 3. Nghiên cứu quá trình tách pha của xăng pha cồn Sự hoà tan của Metanol và Ethanol trong xăng với sự có mặt một lượng nhỏ nước là có giới hạn. Thậm chí ngay tại nhiệt độ phòng, chỉ cho phép tối đa 1 ¸ 2% nước trong hỗn hợp chứa từ 25 ¸ 40% cồn trước khi xảy ra quá trình tách pha; đặc biệt ở nhiệt độ và hàm lượng thấp thì đòi hỏi lượng nước ít hơn (xem hình 3) [16]. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Ethanol Nhiệt độ, 0F Hàm lượng nước cho phép, %TT Hình 3. Hàm lượng nước cho phép xăng pha Ethanol 4. Các phương pháp khắc phục quá trình tách pha Có hai phương pháp chính để khắc phục quá trình tách pha: 4.1. Phương pháp bảo quản Trong bất kỳ loại xăng nào cũng cần đề phòng quá trình tách pha. Xăng không nên được tồn trữ trong một thời gian dài; đặc biệt với sự thay đổi của các mùa trong năm kết hợp với sự thay đổi khoảng nhiệt độ rộng. Nếu các bồn chứa xăng trong một thời gian dài thì các bồn chứa phải đầy bể để ngăn ngừa sự ngưng tụ nước có trong không khí; bên cạnh đó cần phải thêm các chất ổn định hoá học, chất ức chế bay hơi... 4.2. Phương pháp sử dụng phụ gia Bên cạnh phương pháp bảo quản trên, việc sử dụng các loại phụ gia hoá học để chống lại sự tách pha đã được nghiên cứu rộng rãi và được áp dụng thành công. Các loại phụ gia phổ biến nhất là các rượu đồng dung môi (C3 ¸ C12), các chất hoạt động bề mặt không điện ly và các chất hoạt động bề mặt axit béo dạng anion. Trong số các loại rượu đồng dung môi, rượu mạch thẳng có hiệu quả hơn rượu mạch nhánh và khả năng của chúng tăng theo chiều dài mạch cacbon. Nhiều nghiên cứu đã đưa ra