thử nghiệm phương pháp xác định trị số octan và hàm lượng kim loại trong xăng thương phẩm

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, không kết tủa, tạo băng trong bình chứa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THỬ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRỊ SỐ OCTAN VÀ HÀM LƯỢNG KIM LOẠI TRONG XĂNG THƯƠNG PHẨM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ths.Nguyễn Thị Diệp Chi Huỳnh Công Hữu

MSSV: 2082222 Ngành: Công nghệ hóa học - K34

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

-

Cần Thơ, ngày 12 tháng 1 năm 2011

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

NĂM HỌC: 2011 – 2012

1 Họ và tên của cán bộ hướng dẫn:

ThS Nguyễn Thị Diệp Chi MSCB: 1104

Tên đề tài: “ Thử nghiệm phương pháp xác định phương pháp xác

định trị số Octan và hàm lượng kim loại trong xăng ”

2 Địa điểm thực hiện: TRUNG TÂM KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CẦN THƠ, 45 đường 3/2, Q Ninh kiều, TP Cần thơ

3 Số lượng sinh viên thực hiện: 01 sinh viên

4 Họ và tên sinh viên: Huỳnh Công Hữu MSSV: 2082222

Lớp: Công nghệ Hóa học Khóa: 34

5 Mục đích của đề tài:

- Xác định trị số Octan của xăng thương phẩm

- Xác định hàm lượng kim loại của xăng thương phẩm

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

- Tìm hiểu các tiêu chuẩn về chất lượng xăng dầu

- Tiến hành xác định trị số Octan của xăng

- Tiến hành xác định hàm lượng Pb trong xăng

- Tiến hành xác định hàm lượng Fe,Mn trong xăng

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài

Các hóa chất để thực hiện

DUYỆT CỦA CB TẠI CƠ SỞ DUYỆT CỦA CBHD

ThS Nguyễn Thị Diệp Chi

DUYỆT CỦA BỘ MÔN

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - -

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ DIỆP CHI

2 Đề tài: Thử nghiệm phương pháp xác định trị số octan và hàm lượng kim

loại trong xăng thương phẩm

3 Sinh viên thực hiện: HUỲNH CÔNG HỮU

- MSSV: 2082222 - Lớp: Công nghệ hóa học – K34

4 Nội dung nhận xét:

a Nhận xét về hình thức LVTN:

b Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

 Những vấn đề còn hạn chế:

c Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

d Kết luận, đề nghị và điểm:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2012 Cán bộ hướng dẫn

NGUYỄN THỊ DIỆP CHI

LỜI CÁM ƠN



Trong khoảng thời gian làm luận đã giúp cho tôi học hỏi được nhiều kinh nghiệm thực tế, có thêm nhiều kiến thức để sau khi tốt nghiệp có thể làm việc tốt hơn

Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Diệp Chi, cô đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt thời gian qua

Tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến Anh Nguyễn Văn Quốc Sự cùng các Anh (Chị) tại trung tâm “Kỹ thuật và ứng dụng công nghệ” thành phố Cần Thơ đã tận tình chỉ dẫn và tạo mọi điều kiện tốt giúp tôi hoàn thành tốt luận văn của này, giúp tôi có cơ hội tiếp xúc với công việc thưc tế, nâng cao kiến thức về chuyên ngành hóa

Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn đến các quý Thầy Cô Bộ môn công nghệ hóa học, Khoa công nghê, Trường Đại học Cần Thơ đã cung cấp đầy đủ kiến thức

về chuyên ngành hóa và tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin gởi lời cám ơn đến tất cả các bạn lớp CNHH K34, đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, các bạn là nguồn động viên tinh thần quý báo, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn

Tôi xin chân thành cám ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

1.Đặt vấn đề

Năm 2011 là năm diễn ra nhiều sự kiện nổi bật mà điển hình là các vấn đề liên quan đến chất lượng của xăng thương phẩm như: xe tự bốc cháy, nhiều cơ sở kinh doanh bán xăng có chất lượng thấp và ô nhiễm môi trường đang là một vấn nạn lớn của xã hội mà xăng dầu đóng một vai trò quan trọng Điều đó đã gây ra những tác động xấu đến nền kinh tế cũng như đời sống xã hội

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

Vài năm gần đây, Cùng với sự gia tăng nhanh chóng 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

Do đó việc kiểm nghiệm chất lượng của xăng thương phẩm trên thị trường đóng vai trò vô cùng quan trọng ,trong các chỉ tiêu của xăng thì trị số Octan và hàm lượng kim loại trong xăng là hai chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng

và tính an toàn cho môi trương của xăng thương phẩm

Xuất phát từ vấn đề trên nên em đã thực hiện đề tài “Thử nghiệm phương pháp xác định chỉ số octan và hàm lượng kim loại trong xăng thương phẩm”

2.Mục tiêu đề tài

- Thử nghiệm phương pháp xác định trị số octan bằng thiết bị đo trị số octan

sử dụng động cơ chuẩn CRF tiêu chuẩn

- Thử nghiệm phương pháp xác định hàm lượng kim loại trong xăng bằng máy AAS

- Tiến hành thí nghiệm xác định trị số octan và hàm lượng kim loại trên 20 mẫu xăng thương phẩm trên địa bàn TP.Cần Thơ

MỤC LỤC

Phiếu đề tài tốt nghiệp i

Phiếu nhận xét đánh giá của cán bộ hướng dẫn iii Lời cám ơn v

Lời mở đầu vi Mục lục vii Danh mục hình x

Danh mục bảng xii

Danh mục những từ viết tắt xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Xăng nhiên liệu 17

1.1.1 Giới thiệu chung 17

1.1.2 Thành phần hóa học của xăng nhiên liệu 18

1.1.3 Đặc điểm của các nguồn xăng phối trộn 22

1.2 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng 24

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng 24

1.2.2 Đăc điểm của động cơ xăng 26

1.3 Chỉ tiêu chất lượng của xăng 26

1.3.1 Trị số octan 27

1.3.2 Hàm lượng kim loại 27

1.3.3 Tỷ trọng 27

1.3.4 Độ bay hơi 27

1.3.5 Độ ổn định oxy hóa 28

1.3.6 Hàm lượng lưu huỳnh 28

1.3.7 Hàm lượng Benzen 28

1.4 Hiện tượng kích nổ và trị số octan 29

1.4.1 Hiện tượng kích nổ 29

1.4.2.Trị số octan của xăng 32

1.5 Hàm lượng chì trong xăng 36

1.5.1 Hỗn hợp nước chì 36

1.5.2 Cơ chế chống kích nổ của hợp chất tetraetyl chì 37

1.5.3 Tác hại của hợp chất tetraetyl chì trong xăng 37

1.6 Hàm lượng mangan và sắt trongxăng 38

1.7 Giới thiệu phương pháp xác định trị số octan 39

1.7.1 Nguyên tắc 39

1.7.2 Máy đo trị số octan và các thông số của máy 40

1.7.3 Các chất chuẩn và thuốc thử 42

1.7.4 Các đặc tính thay đổi của phép đo trị số octan 42

1.8 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 44

1.8.1 Nguyên tắc đo AAS 44

1.8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo 45

1.8.3 Khái niệm về độ nhạy 46

1.8.4 Giới hạn phát hiện 46

1.8.5 Khoảng xác định trong phép đo AAS 47

1.8.6 Những ưu và nhược điểm của phép đo AAS 47

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ……… ………… 50

2.1 Địa điểm, thời gian và phương tiện thực hiện 50

2.1.1 Địađiểmthựchiện 50

2.1.2 Thời gian thực hiện 50

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 50

2.1.4 Đối tượng nghiên cứu 51

2.2 Nội dung nghiên cứu 51

2.3 Hoạch định thí nghiệm 51

2.3.1 Thử nghiệm phương pháp xác định trị số octan 51

2.3.2 Xác định hàm lượng kim loại trong xăng 51

2.4 Các chỉ tiêu theo dõi, đánh giá 51

2.5 Thực nghiệm 52

2.5.1 Xác đinh trị số octan của xăng 52

2.5.2 Xác định hàm lượng kim loại trong xăng 60

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

3.1 Kết luận 57

3.2 Kiến nghị 57

PHỤ LỤC 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình hoạt động của động cơ bốn thì 8

Hình 1.2: Máy đo trị số octan 24

Hình 1.3: Đường đặc trưng của trị số octan nghiêm cứu theo số đọc của bộ đếm bằng số 27 Hình 1.4: Tác động điển hình của tỷ lệ nhiên liệu - không khí đối với cường độ gõ 28 Hình 1.5: Máy đo quang phổ hấp thụ nguyên tử 29

Hình 2.1: Mẫu xăng được lưu trong tủ lạnh 35

Hình 2.2: Thiết bị pha nhiên liệu chuẩn đầu và nhiên liệu so sánh 36

Hình 2.3: Bộ đếm của tỷ số nén 39

Hình 2.4: Đồng hồ đo áp suất và nhiệt độ 39

Hình 2.5: Đồng hồ đo kích nổ 40

Hình 2.6: Thiết bị đo độ gõ 40

Hình 2.7: Hệ thống bình chứa nhiên liệu mẫu và nhiên liệu so sánh 40

Hình 2.8: Biểu đồ so sánh trị số octan của một số mẫu xăng 92 với tiêu chuẩn 42 Hình 2.9: Biểu đồ so sánh trị số octan của một số mẫu xăng 95 với tiêu chuẩn 43

Hình 2.10: Cường độ của các bước sóng đặc trưng của Pb 44 Hình 2.11: Cường độ của các bước sóng đặc trưng của Mn 44 Hình 2.12: Cường độ của các bước sóng đặc trưng của Fe 44 Hình 2.13: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ Pb 46

Hình 2.14: Biểu đồ so sánh hàm lượng Pb trong một số mẫu xăng 92 với hàm lượng tiêu chuẩn………

48

Hình 2.15: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng Pb trong một số mẫu xăng 95 với hàm

chuẩn……… 49

Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ Mn 50 Hình 2.17: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng Mn trong một số mẫu xăng 92 với hàm

chuẩn……… 52

Hình 2.18: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng Mn trong một số mẫu xăng 95 với hàm

chuẩn……… 52

Hình 2.19: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ Pb 54 Hình 2.20: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng Pb trong một số mẫu xăng 92 với hàm lƣợng tiêu

chuẩn……… 55

Hình 2.21: Biểu đồ so sánh hàm lƣợng Pb trong một số mẫu xăng 95 với hàm

chuẩn……… 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ

hydrocacbon của một loại xăng super thương phẩm 3

Bảng 1.2 : Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của một loại xăng thường thương phẩm 4

Bảng 1.3 : Đặc trưng xăng của quá trình cracking xúc tác 29 Bảng 1.4 : Các đặc tính kỹ thuật và thông tin của máy 25

Bảng 2.1 : Thiết bị và nước sản xuất 33

Bảng 2.2 : Hóa chất và nước sản xuất 33

Bảng 2.3 : Trị số octan của nhiên liệu chuẩn TSF, khoảng dung sai điều chỉnh và khoảng đo của trị số octan của nhiên liệu mẫu 36

Bảng 2.4 : Các thông số vận hành chuẩn của máy đo trị số octan 37 Bảng 2.5 : Kết quả chuẩn hóa máy đo trị số octan 38

Bảng 2.6: Kết quả trị số octan của một số mẫu xăng thương phẩm M92 41

Bảng 2.7: Kết quả trị số octan của một số mẫu xăng thương phẩm M95 42

Bảng 2.8: Độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn chì 46

Bảng 2.9: Bảng kiểm tra độ nhạy và giới hạn phát hiện của của Pb 47

Bảng 2.10: Hàm lượng chì trên một số mẫu xăng thương phẩm M92 48

Bảng 2.11: Hàm lượng chì trên một số mẫu xăng thương phẩm M95 48

Bảng 2.12: Độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn mangan 50

Bảng 2.13: Bảng kiểm tra độ nhạy và giới hạn phát hiện của của Mn 51

Bảng 2.14: Hàm lƣợng Mn trong một số mẫu xăng M92 51

Bảng 2.15: Hàm lƣợng Mn trong một số mẫu xăng M95 52

Bảng 2.16: Độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn sắt 53

Bảng 2.17: Bảng kiểm tra độ nhạy và giới hạn phát hiện của của Fe 54

Bảng 2.18: Hàm lƣợng Fe trong một số mẫu xăng M92 55

Bảng 2.19: Hàm lƣợng Fe trong một số mẫu xăng M95 55

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

- RON: Research octan number

- HDS: Hydrodesunfua

- MTBE: Metyl Tertbutyl Ether

- MON: Motor octan number

- TSF: Nhiên liệu toluene chuẩn

- PRF: Nhiên liệu chuẩn đầu

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Xăng nhiên liệu

1.1.1 Giới thiệu chung

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, 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 cracking, 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 cracking xúc tác, xăng của quá trình reforming xúc tác, xăng chưng cất trực tiếp, xăng của quá trình isomer hoá, xăng của quá trình alkyl hóa, 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

1.1.2 Thành phần hóa học của xăng nhiên liệu

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

4 10

C C thậm chí có cả các hydrocacbon nặng hơn như C C11 , 12 ,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 Olefin 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

Bảng 1.1: Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon

của một loại xăng super thương phẩm

Các cấu tử không xác định chiếm 2.26%

Số

nguyên tử

cacbon

Thành phần tính theo khối lượng Parafin

Bảng 1.2: Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon

của một loại xăng thường thương phẩm

Các cấu tử không xác định chiếm 0.4%

1.1.2.1 Thành phần hydrocacbon trong xăng

a) Hydrocacbon parafin

Các Hydrocacbon parafin có công thức tổng quát là CnH2n+2, trong đó n là số nguyên tử cacbon có trong mạch Về cấu trúc thì Hydrocacbon trong xăng có hai loại, loại cấu trúc mạch thẳng còn gọi là n-parafin và loại có cấu trúc mạch nhánh còn gọi là iso-parafin Các hydrocacbon parafin C5C10 với cấu trúc nhánh là những cấu tử tốt của xăng vì làm cho xăng có khả năng chống kích nổ cao ( iso-

n-%

parafin

octan có trị số octan bằng 100) Trong khí đó n-parafin lại có tác dụng xấu cho khả năng chống kích nổ (n-heptancó trị số octan bằng 0)

b) Olefin

Các hydrocacbon olefin 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 olefin này cũng bao gồm hai loại n-parafin và iso-parafin Sự có mặt của các hydrocacbon olefin làm mất tính ổn định của xăng

c) Họ naphtenic

Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thức chung là: CnH2n+2và 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) Hydrocacbon naphtenic là một thành phần quan trọng của xăng nhiên liệu vì

nó có tính chống kích nổ cao cho xăng

d) Họ aromatic

Hydrocacbon thơm có công thức tổng quát là CnH2n-6, có cấu trúc vòng 6 cạnh, đặc trưng là benzen và các dẫn xuất có mạch ankyl đính bên Hydrocacbon thơm là cấu tử có trị số octan cao nhất nên chúng là những cấu tử quý của xăng 1.1.2.2 Thành phần phi hydrocacbon trong 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 của nó Trong xăng, lưu huỳnh 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

1.1.3 Đăc điểm của các nguồn xăng phối trộn

1.1.3.1 Xăng của quá trình Reforming xúc tác

Reforming là một trong số các quá trình quan trọng của công nghiệp chế biến dầu Vai trò của quá trình này không ngừng được tăng lên do nhu cầu về xăng có chất lượng cao và yêu cầu nguyên liệu tổng hợp cho hóa dầu ngày càng nhiều

Quá trình Reforming thường dùng nguyên liệu là phân đoạn xăng có trị số octan thấp không đủ tiêu chuẩn của nhiên liệu xăng cho động cơ xăng Đó là phân đoạn xăng của quá trình chưng cất trực tiếp dầu thô hay từ phân đoạn xăng của quá trình Cracking nhiệt, cốc hóa hay vibreking

Reforming xúc tác là quá trình biến đổi các thành phần hydrocacbon của nguyên liệu mà chủ yếu là naphten và parafin thành hydrocacbon thơm có trị số octan cao nên đây là nguồn nguyên liệu chính để pha trộn xăng có chất lượng cao

và RON = 95-102

1.1.3.2 Xăng của quá trình Cracking xúc tác

Cracking xúc tác là một quá trình chế biến dầu mỏ nhằm thu được xăng có trị

số octan cao dùng cho xăng otô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn chủ yếu từ quá trình chưng cất trực tiếp AD và VD Qúa trình cracking xúc tác

đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ XIX nhưng mãi đến năm 1923, một kỹ sư người pháp tên là Houdry mới đề nghị đưa quy trình vào áp dụng vào công nghệ và năm

1936 nhà máy cracking xúc tác đầu tiên ra đời

Ngày nay, quá trình cracking xúc tác là một quá trình không thể thiếu trong các nhà máy lọc dầu Quá trình xãy ra theo cơ chế ion cacboncation và dưới sự chọn lọc cao của chất xúc tác nên sản phẩm của quá trình chứa nhiều cấu tử quý của xăng Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu Trị số octan của xăng này khoảng 87- 95 tuỳ theo điều kiện công nghệ Thành phần hóa học chứa tới 15-

30 % hydrocacbon olefin Sự có mặt của của các olefin này chính là nguyên nhân làm mất tính ổn định của xăng

20 4

ít để phối trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5và 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

1.1.3.4 Quá trình alkyl hóa

Quá trình alkyl hóa là một quá trình quan trọng trong nhà máy lọc dầu nhằm chế biến các Olefin nhẹ và iso butan thành cấu tử xăng có trị số octan cao nhất đó là iso – parafin mà chủ yếu là iso-octan Alkylat nhận được là cấu tử tốt nhất để pha trộn tạo xăng cao cấp trong các nhà máy lọc dầu vì nó có trị số octan cao và độ nhạy nhỏ (RON  96, MON  94), áp suất hơi thấp Điều đó cho phép chế tạo được xăng theo bất cứ công thức pha trộn nào Ngoài ra, khi Alkyl hóa Benzen bằng olefin nhẹ ta cũng sẽ thu được Alkyl benzene có trị số octan cao dùng để pha chế xăng hoặc dùng để tổng hợp hữu cơ hóa dầu

0,72-0,77 Hàm lượng lưu huỳnh, % kl 0,01-0,2 Thành phần Hydrocacbon % kl

Trị số octan

- RON

- MON

87-95 78-85

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 octan 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

1.1.3.5 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 octan cao như: MTBE, methanol, ethanol Để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi

1.2 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng

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:

Hình 1.1: Chu trình hoạt động của động cơ bốn thì

Kỳ nạp Kỳ nén Kỳ cháy - giãn nở Kỳ xã

Sau khi đến điểm chết dưới, piston đi ngược lên trên, khi này cả hai xupap

đều đóng lại, hỗn hợp công tác trong xilanh bị nén do đó nhiệt độ và áp suất có thể tăng cao, áp suất trong xilanh tăng lên 5-15kg/cm2

còn nhiệt độ có thể đến 425°C Với điều kiện nhiệt độ và áp suất như vậy đồng thời với sự có mặt của oxy không khí các hydrocacbon có trong thành phần của xăng đều bị biến đổi sâu sắc và với nhiều mức độ khác nhau theo chiều hướng biến thành các hợp chất chứa oxy không bền vững (các peroxyd, các aldehyd v.v )

300-1.2.1.3 Kỳ cháy và giản nở sinh công

Đến cuối quá trình nén, nến điện điểm lửa, lúc đó hỗn hợp nhiên liệu tức khắc bị đốt cháy một cách mãnh liệt Tuy nhiên sự cháy bao giờ cũng bắt đầu từ nến điện và quá trình cháy không phải đồng thời trong cả không gian xilanh mà, theo từng lớp lan dần ra trong khắp xilanh tạo thành một mặt lửa lan truyền Bấy giờ hỗn hợp nhiên liệu trong xilanh coi như được chia làm hai phần Phần nằm ở khu vực phía trong mặt lửa, ở đây chủ yếu chứa các sản vật của các hydrocacbon đã bị cháy tạo ra nhiệt độ cao và áp suất cao trong xilanh, phần nằm ở khu vực phía ngoài mặt lửa, ở đấy bao gồm những nhiên liệu chưa bốc cháy, nhưng chịu một nhiệt độ cao

và áp suất cao do quá trình cháy ở khu vực phía trong mặt lửa tạo ra, nên đã ở trạng thái sẳn sàng bốc cháy khi mặt lửa lan truyền hết không gian xilanh Kết quả của quá trình cháy trong xilanh là tạo ra nhiệt độ cao và do đó áp suất trong xilanh có thể lên đến 25-50 kg/cm2 Nhờ vậy piston bị đẩy di chuyển từ vị trí điểm chết trên xuống điểm chết dưới, thực hiện quá trình giản nở sinh công, làm chuyển động cơ cấu thành truyền trục khuỷu của động cơ

1.2.1.4 Kỳ xã

Sau giai đoạn giản nở sinh công, xupap thải mở ra, piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, thực hiện quá trình đuổi sản vật cháy ra ngoài, để chuẩn bị nạp hỗn hợp công tác mới vào xilanh thực hiện tiếp tục một chu trình làm việc mới

Tóm lại, một chu trình làm việc của động cơ xăng bao gồm 4 giai đoạn (hoặc

còn gọi là 4 hành trình): giai đoạn nạp hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong

xilanh, giai đoạn nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xilanh, giai đoạn đốt

cháy nhiên liệu và giản nở sinh công, giai đoạn thải sản vật cháy ra ngoài 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

1.2.2 Đăc điểm của 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 sẽ 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 sẽ 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 gõ kim loại Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy

kích nổ

1.3 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 chất độc hại và

thực hiện các quy định này một cách nghiêm túc

Ở góc 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 Các chỉ tiêu chất lượng của xăng bao gồm:

1.3.1 Trị số octan

Mổi loại xăng đều chịu được một tỷ số nén nhất định mà ta gọi là tỷ số nén tới hạn, tại tỷ số nén đó quá trình cháy của động cơ diễn ra bình thường mà chúng ta gọi là quá trình cháy cưỡng bức Tuy nhiên, trong điều kiện hoạt động của động cơ xăng chịu một tỷ số nén cao hơn tỷ số nén tới hạn sẽ xãy ra quá trình tự bốc cháy hay chúng ta thường gọi là hiện tượng cháy kích nổ Quá trình cháy kích nổ làm áp suất trong buồng đốt tăng lên đột ngột gây ra những tiếng gõ trong động cơ, gây mài mòn thiết bị…và để đặc trưng cho khả năng chống gõ của xăng ta dùng một đại lượng đó là trị số octan của xăng Trị số octan là một chỉ tiêu quan trọng hàng đầu

và nó là một thông số quan trọng đối với các nhà sản xuất động cơ, các nhà máy lọc dầu cũng như nhà tiêu dùng các sản phẩm xăng thương phẩm

1.3.2 Hàm lượng kim loại

Các hợp chất của kim loại được pha vào xăng nhằm cải thiện trị số octan của xăng, các hợp chất thường dùng là các hợp chất của các kim loại như Pb, Fe và Mn Tuy nhiên hàm lượng kim loại trong xăng chỉ giới hạn ở một mức nồng độ cho phép

để không gây ra tác động xấu đến môi trường cũng như đến sức khỏe con người

1.3.4 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 phân đoạn của nó thì ở nhiệt độ nào cũng có những hydrocacbon bay hơi, nhưng ở một nhiệt độ nhất định thì cường độ bay hơi của các cấu tử khác nhau là không giống nhau Tính chất bay hơi của xăng có ý nghĩa rất lớn trong quá trình bảo quản, vận chuyển cũng như trong quá trình sử dụng Vì vậy độ bay hơi của xăng là một tính chất hết sức quan trọng Tính bay hơi này được đặc trưng bằng những tính chất như: Thành phần cất, áp suất hơi bão hoà, điểm chớp cháy Nhờ nó mà ta có thể đánh giá sơ bộ về thành phần, sự phân bố của các cấu tử trong xăng, khả năng bay

hơi gây mất mát và mức độ an toàn trong quá trình vận chuyển cũng như bảo quản

và sử dụng

1.3.5 Độ ổn định oxy hóa

Trong quá trình vận chuyển và bảo quản dầu thô cũng như sản phẩm của nó thường tiếp xúc với không khí nên các hydrocacbon dễ bị oxy hoá tạo thành các sản phẩm nặng hơn và thường gọi là nhựa, các hợp chất này thường gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến quá trình hoạt động của động cơ như: Làm tắc nghẽn lưới lọc trong bơm nạp liệu, tạo cặn trong các rãnh của piston và trên xecmăng Để đặc trưng cho khả năng chống lại quá trình oxy hoá người ta dùng khái niệm độ ổn định oxy hoá,

nó có thể được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau

1.3.6 Hàm lượng lưu huỳnh

Trong phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng cất khí quyển hay trong xăng thương phẩm thì hàm lượng lưu huỳnh không nhiều, chúng có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo nguồn gốc phối trộn Trong các dạng tồn tại này thì người ta quan tâm nhiều nhất đến hợp chất mercaptan (có trong phân đoạn xăng chưng cất trực tiếp) vì đây là hợp chất có khả năng gây ăn mòn trực tiếp các thiết bị trong tồn chứa bảo quản, vận chuyển cũng như sử dụng trong động cơ Mặc dù hàm lượng các hợp chất này không lớn trong thành phần của xăng nhưng nó gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến chất lượng của xăng như vừa nêu ở trên Khi cháy trong động cơ chúng tạo ra khí SO2, khí này sau đó có thể chuyển một phần thành SO3, các chất khí này sẽ tạo thành các axit tương ứng khi nhiệt độ xuống thấp, đây là các chất gây

ăn mòn rất mạnh Ngoài ra khí theo khói thải ra ngoài các chất khí này sẽ làm nhiễm độc xúc tác trong bộ hệ thống xử lý khí thải và gây ô nhiễm môi trường khi thải ra khi quyển

Có nhiều phương pháp nhằm hạn chế các chất ô nhiễm này như cải tiến cấu trúc của động cơ, khống chế điều kiện làm việc tối ưu hay cải thiện chất lượng của nhiên liệu Trong các giải pháp này thì hai giải pháp đầu tiên rất khó làm giảm hàm lượng benzen trong khí thải vì benzen là một chất khó cháy nhất trong các hợp chất này Vì những lý do này mà người ta bắt buộc phải khống chế hàm lượng benzen và

cả hàm lượng các hợp chất aromatic trong nhiên liệu

Trong các chỉ tiêu trên thì trị số octan và hàm lượng kim loại trong xăng là hai chỉ tiêu được quan tâm nhiều nhất hiện nay bởi nó ảnh hưỡng lớn đến chất lượng của xăng thương phẩm

1.4 Hiện tượng kích nổ và trị số octan

1.4.1 Hiện tượng kích nổ

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 khi 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 gõ 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 Nhiên liệu ảnh hưởng lên quá trình cháy kích nổ này được thể hiện thông qua một khái niệm gọi là trị số octan

1.4.1.1 Bản chất của hiện tượng kích nổ

Quá trình cháy trong động cơ xăng được xem là bình thường nếu các mặt lửa lan truyền trong xilanh với tốc độ đều đặn khoảng 15-40 m/s Nhưng khi mặt lửa lan truyền với vận tốc quá lớn, nghĩa là sự cháy xãy ra hầu như cùng một lúc trong xylanh ngay sau khi nến điện điểm lửa, quá trình cháy này được xem như không bình thường và được gọi là hiện tượng cháy kích nổ

Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ này rất phức tạp, có nhiều quan điểm giải thích khác nhau, nhưng nguyên nhân của nó chính là do quá trình biến đổi hóa học một cách sâu sắc của nhiên liệu chưa bị cháy nằm trong khu vực phía trước mặt lửa Ở đây, nhiệt độ cao do bức xạ của mặt lửa vì vậy áp suất cũng tăng lên rất lớn

Trong điều kiện như vậy, những hydrocacbon ít bền với nhiệt thì sẽ bị phân huỷ, những hợp chất nào dễ bị oxy hoá nhất thì tạo ra nhiều hợp chất chứa oxy như các axit, rượu, aldehyd, ceton Tuy nhiên hợp chất chứa oxy kém bền nhất đáng chú ý là các peroxyd và các hydroperoxyd Có lẽ chính những hợp chất không bền này là nguồn gốc gây ra các phản ứng chuổi dẫn đến sự tự oxy hoá và tự bốc cháy ngay trong không gian trước mặt lửa khi mặt lửa chưa lan truyền đến

Người ta nhận thấy, nếu xăng chỉ chứa chủ yếu các n-parafin thì nó rất dễ bị oxy hóa ngay ở nhiệt độ thấp nên khi chúng nằm trong không gian phía ngoài mặt lửa, chúng đã bị oxy hoá mãnh liệt, tạo nhiều sản phẩm trung gian đưa đến hiện tượng kích nổ Ngược lại đối với các nhiên liệu chỉ chứa chủ yếu các iso-parafin, aromatic, nó chỉ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao, nên khi nằm trong không gian phía ngoài mặt lửa, chúng vẫn bị oxy hoá chậm chạp, các sản phẩm trung gian không bền được tạo ra ít cho nên khó gây ra hiện tượng kích nổ, hoặc có kích nổ cũng yếu

1.4.1.2 Ảnh hưởng của hydrocacbon đến quá trình cháy kích nổ của động cơ

Khả năng chống kích nổ khi cháy trong động cơ của các hydrocacbon thay đổi khác nhau tùy theo loại và tùy theo đặc điểm cấu trúc của nó

a) Đối với hydrocacbon parafin

- Khi có cùng một cấu trúc loại thẳng, thì mạch càng dài càng dễ bị cháy

nổ, khả năng chống kích nổ càng kém

- Khi tăng số lượng nhánh phụ để giảm chiều dài mạch thì khả năng chống kích nổ lại tăng lên Như vậy các iso-parafin bao giờ cũng có khả năng chống kích nổ cao hơn các n-parafin có cùng một số nguyên tử cacbon tương ứng, đồng thời các iso-parafin nào trong số đó càng có nhiều nhóm metyl, khả năng chống kích nổ càng cao

- Đối với các iso-parafin, khi mạch nhánh càng chuyển vào giữa mạch, tức càng làm cho cấu trúc phân tử thêm gọn ghẽ càng có khả năng chống kích

nổ cao

b) Đối với các olefin:

- Khả năng chống kích nổ của các olefin nằm trung gian giữa n-parafin và iso-parafin

- Tăng chiều dài của mạch cacbon, khả năng chống kích nổ càng giảm

- Khi có cùng một chiều dài mạch cacbon như nhau, nhưng khi nối đôi càng chuyển dần vào giữa mạch, khả năng chống kích nổ càng tăng lên

- Các olefin có mạch nhánh cũng có khả năng chống kích nổ cao hơn các loại mạch thẳng

- Các olefin không kể đến vị trí của nối đôi, cũng như kích thước phân tử của nó, khi chúng có mạch cacbon no với độ dài như nhau, khả năng chống kích nổ của chúng vẫn như nhau

- Các diolefin (trừ 1-3 butadien) cũng có khả năng chống kích nổ cao hơn các n-parafin tương ứng Khi nối đôi chuyển vào giữa mạch, cũng như khi nôi đôi nằm liên hợp với nhau (cách đều) khả năng chống kích nổ tăng lên

c) Đối với các naphten:

- Khả năng chống kích nổ kém hơn so với các olefin mạch thẳng có cùng

số nguyên tử cacbon (chỉ trừ cyclopentan có khả năng chống kích nổ cao hơn các đồng phân α-olefin C5) Khi số vòng naphten tăng lên khả năng chống kích nổ càng kém

- Khi có nhiều nhánh phụ ngắn, thì khả năng chống kích nổ tốt hơn so với naphten có nhánh phụ dài, với số cacbon trong nhánh phụ bằng tổng số cacbon trong các nhánh phụ ngắn Vị trí các nhánh phụ dính vào đâu ở vòng naphten không ảnh hưởng mấy đến khả năng chống kích nổ của nó

- Khi nhánh phụ của vòng naphten là mạch nhánh thì khả năng chống kích

nổ sẽ nâng cao

- Đối với các vòng không no (cyclolefin) khả năng chống kích nổ cao hơn đối với vòng naphten tương ứng

d) Đối với các hydrocacbon thơm:

Đây là hợp chất có khả năng chống kích nổ cao nhất so với tất cả các loại

- Khi vòng thơm có thêm nhánh phụ mà số nguyên tử của nhánh phụ chưa quá 3, thì khả năng chống kích nổ càng cao, sau đó nếu nhánh phụ dài hơn, thì khả năng chống kích nổ lại càng kém đi Tuy nhiên, khi nhánh phụ là mạch nhánh thì khả năng chống kích nổ lại tăng

- Khi vòng thơm có chứa càng nhiều gốc metyl thì khả năng chống kích nổ càng tốt, như toluen, xylen, mezitilen có khả năng chống kích nổ rất cao Tuy nhiên nếu vòng thơm đã có mạch dài thì việc đưa thêm các nhóm thế metyl vào vòng thơm có hiệu quả không đáng kể Mặc dù vậy, nếu nhánh phụ là mạch nhánh (như iso-propylbenzen, iso amylbenzen) thì việc đưa thêm nhóm thế metyl vào vòng thơm lại có khả năng làm tăng cao khả năng chống kích nổ

- Vị trí của các nhánh phụ của vòng thơm có ảnh hưởng đến tính chống kích nổ Khi khoảng cách giữa các nhánh phụ của vòng thơm càng xa, thì khả năng chống kích nổ càng lớn

- Khi nhánh phụ của vòng thơm có nối đôi, thì khả năng chống kích nổ cao hơn vòng thơm có nhánh phụ không có nôi đôi tương ứng Như vậy, khả năng chống kích nổ của các loại hydrocacbon với cấu trúc khác nhau, đều

có phạm vi thay đổi rất lớn có thể sắp xếp thứ tự theo chiều giảm khả năng chống kích nổ của các hydrocacbon như sau: Aromatic > olefin có mạch nhánh > parafin có mạch nhánh > naphten có mạch nhánh không no > olefin mạch thẳng > naphten > parafin mạch thẳng

1.4.2 Trị số octan của xăng

1.4.2.1 Định nghĩa

Để đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của xăng, người ta đưa ra khái niệm trị số octan Trị 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

2 1/ 2

28, 28 100

1 0, 736 1 (1, 472 0, 435216 )

T IO

 

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:

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, nhiệt độ và áp suất vào, độ giàu của nhiên liệu 1.4.2.2 Các loại trị số octan của xăng

a) Trị số octan xác định theo phương pháp nghiên cứu (Research octan number- RON): Là trị số octan của xăng thể hiện khi sử dụng trong động cơ ở điều kiện tốc độ và tải trọng trung bình Số vòng quay của môtơ thử nghiệm là

600 vòng/ phút

b) Trị số Octan xác định theo phương pháp môtơ (Motor octan number-MON):

Là trị số octan của xăng đặc trưng cho điều kiện hoạt động khắc nghiệt hơn,

đó là nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp cao, tải trọng lớn, và động cơ phải trải qua chế độ van tiết lưu mở hết ở tốc độ cao Số vòng quay của môtơ thử nghiệm là 900 vòng/ phút Thông thường, trị số octan theo RON thường cao hơn MON Mức chênh lệch đó phản ánh: ở một mức độ nào đó tính chất của nhiên liệu thay đổi khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, cho nên mức chênh lệch đó còn gọi là độ nhạy của nhiên liệu đối với chế độ làm việc thay đổi của động cơ Mức chênh lệch giữa MON và RON càng thấp càng tốt

c) Trị số octan trên đường (IOR) : Khả năng chống kích nổ của một loại nhiên liệu nào đó, ngoài sự phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hydrocacbon còn phụ thuộc vào chế độ làm việc thực tế của động cơ, tức là xe đang chạy ở tốc

độ nhanh chuyển sang chạy ở tốc độ chậm, ở những nơi đường xấu phải phanh gấp, thời tiết thay đổi đột ngột, thì hiện tượng cháy kích nổ có thể xãy

ra Do vậy ngoài việc đánh giá khả năng chống kích nổ của hydrocacbon trong nhiên liệu bằng phương pháp RON hoặc MON còn phải đánh giá khả năng chống kích nổ của nhiên liệu bằng phương pháp đo sự thay đổi trị số octan theo chế độ làm việc tức là theo sự khác nhau về số vòng quay của động cơ, gọi là trị số octan trên đường

(1.1)

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

Rõ ràng loại nhiên liệu nào có độ nhạy càng thấp (chênh lệch giữa RON

và MON ít) thì IOR càng gần với RON Nếu hai loại hydrocacbon có cùng RON như nhau nhưng loại nào có độ nhạy càng thấp sẽ có khả năng chống kích nổ càng cao khi làm việc trong các chế độ thay đổi khác nhau vì vậy iso-parafin có nhiều ưu điểm so với các olefin và các hydrocacbon thơm d) Trị số octan theo phân đoạn cất R-100°C : Xăng bao gồm nhiều thành phần

có sự khác biệt lớn về khả năng chống kích nổ Thường thì các phần có nhiệt

độ sôi thấp (ngoại trừ iso-pentan, benzen) có trị số octan thấp so với xăng nói chung Trong một số chế độ làm việc của động cơ có xãy ra sự chia tách xăng trong động cơ dẫn đến xylanh được làm nhiều thành phần có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi nhanh nhưng lại thiếu hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao (có khả năng chống kích nổ cao hơn) hiện tượng này xãy ra sự kích nổ khi gia tốc và khởi điểm thấp Lý do là khi động cơ làm việc ở chế độ này, lượng xăng đưa vào xylanh ít và dẫn đến có phần lớn cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, vốn có trị số octan thấp trong xăng Sự cháy kích nổ này không gây ra bất kỳ mối nguy hiểm nào và người tiêu dùng có thể nhận ra ngay

Phương pháp xác định RON-100°C : Chưng cất mẫu và xác định RON của phần cất có khoảng nhiệt độ sôi từ đầu đến 100°C Đối với xăng thương phẩm R-100°C luôn nhỏ hơn RON Sự tách biệt giữa RON và R-100°C gọi

là RON ; giá trị này dao động từ 4-12 Đối vơí xăng Reforming xúc tác trị

số octan phân bố không đều, do các hydrocacbo thơm, là các cấu tử có trị số octan cao hầu như nằm ở phần nhiệt độ sôi cao nên RON thường cao Còn xăng cracking xúc tác, do chứa nhiều iso-parafin nên RON thấp có nghĩa

là trị số octan phân bố rất đồng đều trong khoảng nhiệt độ sôi của xăng 1.4.2.3 Nhiên liệu tiêu chuẩn dùng để xác định trị số octan của xăng

Nhiên liệu tiêu chuẩn dùng để xác định trị số Octan bao gồm hai hợp phần :

a) Hợp phần n- heptan (n-C7H14) có công thức cấu tạo mạch cacbon thẳng

n-heptan có tính chống kích nổ kém ,qui ước heptan có trị số octan bằng 0 b) Hợp phần iso-octan (2,2,4 tri metyl pentan) có công thức cấu tạo mạch nhánh iso-octan có tính chống kích nổ tốt, qui ước iso-octan có trị số octan bằng

100

Khi pha chế hai hợp phần này với nhau theo tỷ lệ thể tích nhất định sẽ suy ra được trị số octan tan của nhiên liệu hỗn hợp đó

1.4.2.4 Ý nghĩa của trị số octan

- Trị số octan nghiên cứu tương ứng với khả năng chống gõ của động cơ ôtô đánh lửa ở điều kiện hoạt động bình thường Khi dùng xăng có trị số octan thấp hơn

so với quy định của nhà chế tạo thì sẽ 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 sẽ gây lãng phí

- Trị số octan nghiên cứu được các nhà sản xuất động cơ, các nhà máy lọc dầu, các nhà kinh doanh và trong thương mại sử dụng như là thông số kỹ thuật hàng đầu liên quan đến tính phù hợp của nhiên liệu và động cơ

- RON còn được sử dụng độc lập hoặc trong mối liên quan với các yếu tố khác để xác định O.N trên đường của nhiên liệu động cơ đánh lửa

- RON được sử dụng để xác định đặc tính chống gõ các nhiên liệu của động

cơ đánh lửa có chứa các hợp chất chứa oxygenat

1.5.1 Hỗn hợp nước chì

Nước chì là tên gọi đơn giản của hỗn hợp có thành phần là hợp chất tetra etyl chì [Pb(C2H5)4] và 1,2-dibromoethane hoặc 1,2-dichloroethane Tác dụng của tetra etyl chì là phá hủy các hợp chất chất peroxyt và ngăn cản sự tích tụ của chúng trong xylanh do đó tránh được hiện tượng kích nổ Còn 1,2-dibromoethane hoặc 1,2-dichloroethane được gọi là chất lôi kéo vì chúng giúp cho muội sau quá trình cháy không đọng lại trong xylanh, piston, bugi, xupap …mà theo khói xả ra ngoài

Thành phần phần phần trăm theo thể tích của hỗn hợp nước nước chì như sau: Thành phần Nồng độ đặc trưng, % khối lượng



4 2

Pb 

OO CH R O CH

O H O PbO

CHO R

PbO OOH

1.5.2 Cơ chế chống kích nổ của hợp chất tetraetyl chì

Một điểm đáng chú ý của hợp chất tetraethyl chì là 4 liên kết C-Pb rất yếu Trong quá trình cháy của động cơ (CH3CH2)4Pb bị phân hủy hoàn toàn thành Pb, PbO2 và 4CH3 Các hợp chất này có tác dụng làm sạch các gốc tự do sinh ra trong quá trình cháy điều đó ngăn cản hiện tượng cháy kích nổ của nhiên liệu

Cơ chế dùng phụ gia chì như sau:

- Phân hủy TEL trong động cơ:

- Tạp chất không hoạt động:

Kết quả là biến peoxyt hoạt động thành các aldehyd bền vững, làm giảm khả năng cháy kích nổ nhưng Pb và PbO sinh ra trong quá trình cháy sẽ nhanh chóng tích lũy và phá hủy động cơ chính vì lý do đó khi sử dụng tetra etyl chì người ta thường pha thêm 1,2-dibromoethane hoặc 1,2-dichloroethane có tác dụng như một tác nhân chống muội

1.5.3 Tác hại của hợp chất tetraetyl chì trong xăng

1.5.3.1 Tác hại đến môi trường

Các hợp chất chì vô cơ và hữu cơ dễ bay hơi khuếch tán vào khí quyển Nhờ chuyển động của các dòng khí trong lớp khí quyển thấp, các hợp chất chì, bụi chì được phán tán ra trên khu vực rộng lớn Thời gian lưu trung bình của các hợp chất chì trong không khí là 14 ngày sau đó nhờ quá trình sa lắng khô hay ướt các hợp chất, bụi này được giử lại trên bề mặt thạch quyển hay đi vào thuỷ quyển

Trên mặt đất bụi chì bám trên bề mặt thực vật cản trở quá trình quang hợp Chì trong đất hầu như tồn tại vĩnh cửu, các chất hữu cơ trong đất giử lại chì rất hiệu quả do đó làm nhiễm bẩn nặng đất (300-500 ppm)

Trong thuỷ quyển các hợp chất chì tồn tại ở dạng kết tủa hay bị hydrat hoá, các phản ứng hoà tan, hợp chất huyền phù…được hấp thụ một phần bởi thực vật thuỷ sinh (rau muống, rau nhút ) tích tụ trong đó và thông qua chuổi thức ăn vào cơ thể con người

Nước ngầm chứa ít chì hơn (0,01mg/l), nước biển chứa 0,03g/l Trong nước cấp chảy qua các đường ống dẫn bằng chì có thể thấy lượng chì trong nước lên tới

100 Các hợp chất Pb ở dạng hòa tan hay huyền phù sẽ theo dòng chảy ra biển Một phần đáng kể hợp chất chì đi vào cơ thể sống theo dây chuyền thực phẩm hoặc được giữ lại ở lớp trầm tích Nước ngọtchứa chì chủ yếu ở dạng các phức cacbonat, nước biển chứa hợp chất chì chủ yếu ở dạng phức clorua, trong khi trong nước của đất, chì lại ở dạng phức của các axit humic hoặc fulvic

1.5.3.2 Tác hại đối với con người

Trong cơ thể người, chì trong máu liên kết với hồng cầu và tích tụ trong xương Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm chủ yếu qua nước tiểu Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xương từ 20-30 năm Hợp chất chì hữu cơ rất bền vững độc hại đối với con người, có thể dẫn đến chết người

Những biểu hiện của ngộ độc chì cấp tính như nhức đầu, tính dễ cáu, dễ bị kích thích và nhiều biểu hiện khác nhau liên quan đến hệ thần kinh Con người bị nhiễm độc lâu dài đối với chì có thể bị giảm trí nhớ, giảm khả năng hiểu, giảm chỉ

số IQ, xáo trộn khả năng tổng hợp hemoglobin có thể dẫn đến bệnh thiếu Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm Nhiễm độc chì

có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sẩy thai, làm suy thoái nòi giống

1.6 Hàm lượng mangan và sắt trong xăng

Hợp chất tetraethyl chì có tính chất kích nổ tốt nhưng ngoài việc đem lại những thuận lợi hợp chất này đã gây nhiều tác hại đến môi trường cũng như sức khỏe con người, nhiều nước đã ban hành ban hành lệnh cấm sử dụng tetraethyl chì như: Mỷ ban hành lệnh cấm sử dụng xăng pha chì 1986, ở Châu âu xăng pha chì bị cấm sử dụng vào những năm 1990 Còn ở Việt Nam, ngày 1/11/2001, Thủ tướng cũng ra quyết định cấm sử dụng xăng pha chì trên phạm vi toàn quốc

Hợp chất của Mangan và Sắt được sử dụng để thay thế tetraethyl chì, việc sử dụng hợp chất của mangan và sắt đã khắc phục được những khuyết điểm của hợp chất tetraethyl chì như ít độc với môi trường cũng như hạn chế tác hại đến khỏe con người…

Các hợp chất của Sắt và Mangan của sắt và Mangan được thêm vào trong xăng là :

Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl Đặc điểm cấu tạo của các hợp chất này là nguyên tử kim loại tạo liên kết yếu các nhóm  C O và góc Methylcyclopentadienyl, cyclopentadienyl Khi cháy tạo

ra các gốc tự do và các hợp chất benzene và toluene Các góc tự do sinh ra thực hiện phản ứng đóng mạch với các gốc tự do sinh ra trong phản ứng cháy của nhiên liệu, còn các hợp chất sinh ra có tính chất chống kích nổ cao làm tăng trị số octan Về bản chất thì các hợp chất của Sắt, Mangan và của Pb có tác dụng tương tự nhau nhưng do Mangan và Sắt ít độc đối với môi trường và bộ xúc tác của động cơ nên các hợp chất này dần trở thành phụ gia chống kích nổ thông dụng của xăng nhiên liệu

1.7 Giới thiệu phương pháp xác định trị số octan

1.7.1 Nguyên tắc

Trị số octan nguyên liệu của nhiên liệu động cơ đánh lửa, được xác định khi

sử dụng động cơ thử nghiệm tiêu chuẩn và các điều kiện vận hành chuẩn để so sánh đặc tính gõ của nó với đặc tính gõ của nó của những hỗn hợp nhiên liệu chuẩn đầu

có trị số octan biết trước, tỷ số nén và tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu - không khí được điều chỉnh để đạt cường độ gõ chuẩn cho nhiên liệu mẫu, đo bằng thiết bị kích nổ đặc biệt Sau khi thực hiện phép đo ta thu được tỷ số nén của nhiên liệu mẫu ở điều kiện gõ chuẩn, tra bảng mối quan hệ giữa trị số tỷ số nén của nhiên liệu và trị số octan ta suy ra trị số octan nghiên cứu của nhiên liệu cần đo

1.7.2 Máy đo trị số octan và các thông số của máy

Phương pháp này sử dụng động cơ một xylanh, động cơ CRF gồm những bộ phận tiêu chuẩn như sau: cacte, một xylanh/hệ thống kẹp để tạo tỷ số nén thay đổi liên tục có thể điều chỉnh liên tục với sự hoạt động của động cơ, một hệ thống làm lạnh bảo ôn tuần hoàn bằng ống si phông, một hệ thống nhiều bình cấp nhiên liệu có van chon lọc để cung cấp nhiên liệu theo một đường phun và ống khuyết tán của bộ chế hòa khí, hệ thống hút khí với thiết bị kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, các thiết bị kiểm soát điện và một ống xả phù hợp Bánh đà của động cơ được nối truyền lực với động cơ điện hấp thụ năng lượng đặc biệt, dùng để khởi động động cơ và cũng

là phương tiện hấp thụ năng lượng ở tốc độ không đổi khi quá trình cháy xãy ra Cường độ gõ được đo bằng tiếng nổ điện tử và đồng hồ đo

Hình 1.2: Máy đo trị số octan Chú giải:

A- Ống chống ẩm không khí F - Hộp cacte CRF -48

B- Thiết bị làm nóng không khí vào G - Thiết bị lọc dầu