Đề cương nhiên liệu sạch

1 Phụ gia nhiên liệu gì? Cho biết loại phụ gia nhiên liệu? - Phụ gia nhóm hợp chất thêm vào phối trộn nhiên liệu với mục đích làm tăng trị số octane, tăng khả cháy giảm phát thải CO, làm giảm tới mức thấp việc tạo hợp chất dễ bay hơi, giảm ăn mòn cải thiện điều kiện động dầu bôi trơn Nhu cầu sử dụng phụ gia tăng lên phụ gia chì bị cấm sử dụng, hình thành thị trường lớn cho sản xuất phụ gia, với mục đích bảo vệ môi trường ảng hưởng mạng lưới lượng tăng lên từ trình cháy hỗn hợp nhiên liệu phối trộn - Các loại phụ gia nhiên liệu chia thành nhóm chính: + Phụ gia oxygenate (h/c chứa oxi): phụ gia methanol, ethanol, pg TBA, MTBE, ETBE, DIPE + Phụ gia họ kim: pg kim chứa Mangan (MMT- methyl cyclopentadienyl manganese tricarbony C6H7Mn(CO)3; pg kim chứa sắt (ferrocence (C5H5)2Fe) + Phụ gia amin thơm: pg N-methyl aniline (NMA); pg N,N-dimethyl aniline(NNDMA); pg Aniline,… Phân tích nêu đặc điểm hợp chất oxygenate sử dụng làm phụ gia cho xăng? Ưu-nhược điểm phụ gia MTBE gì? Và khác biệt MTBE ETBE? Hợp chất oxygenate làm phụ gia cho nhiên liệu xăng thường có hai loại: phụ gia alcohol (methanol, etanol, butanol, tert-butyl ancol…); phụ gia ete (MTBE, ETBE…) Đặc điểm: Phụ gia oxygenate có trị số octane ca, áp suất bão hòa lớn, nguồn nguyên liệu phong phú, khơng phụ thuộc vào dầu mỏ, chúng đảm nhiệm lúc nhiều chức ứng dụng, gây ăn mòn, thành phần khí thải độc hại với mơi trường người Ưu – nhược điểm phụ gia MTBE: - Có trị số octane cao - Khi pha vào xăng không làm thay đổi RPV (Reid Pressure Vapor) nhiên liệu - Khả hòa tan với nước ether thấp nhiều so với loại rượu, lượng nước lẫn vào nhiên liệu nhiều - Sử dụng MTBE nguy hiểm so với loại phụ gia khác - Nguy gây cháy nổ với rượu Nhược điểm: - Giá thành cao Làm tăng khả bay phân đoạn Tạo khí độc hại sau q trình đốt Có thể tan hồn tồn vào nước ngược lại nên bị rò rỉ q trình sử dụng tồn chứa gây ô nhiễm môi trường nước 3 Phân tích hình thành hợp chất gây nhiễm hợp phần oxygenate nay? Ở mức độ phụ gia ete có độc ảnh hưởng đến mơi trường, phụ gia chứa ete gây ô nhiễm nguồn nước Các hợp chất khác kết hợp với trình cháy phụ gia ete với ankan làm tăng chuyển thành fomaldehide, tạo crolein, methecroline, aceton… Phản ứng tạo gốc hydroxyl: Trị số octan (ON) gì? Cho biết cách xác định khác biệt MON (motor octane number) RON (research octane number) nào? Để đặc trưng cho xăng có tính chống kích nổ tốt, nghĩa cháy điều hòa người ta thường dùng đại lượng đặc trưng trị số octane (ON) hay số octane (OI) Người ta qui ước, 2,2,4-trimetyl pentane có ON=100, n-heptane có ON=0 Một nhiên liệu có ON=x có khả cháy chống kích nổ tương đương hỗn hợp x%V isooctane (100-x)%V n-heptane Quy cách xác định động CFR: Trị số octane nhiên liệu xác định sử dụng động thí nghiệm tiêu chuẩn điều kiện vận hành chuẩn để so sanhs đặc tính gõ với đặc tính gõ so với đặc tính gõ hỗn hợp nhiên liệu chuẩn có trị dố octane biết trước Sau thực phép đo ta thu tỷ số nén nhiên liệu chuẩn Tra bảng mối quan hệ tỷ số nén trị số octane ta thu trị số octane nhiên liệu cần đo Có hai phương pháp để xác định ON xăng trị số octane theo pp nghiên cứu RON (research octane number) theo tiêu chuẩn ASTM D2699-06a trị số octane theo phương pháp mô tơ MON (motor octane number) theo tiêu chuẩn ASTM D2700-06 Cả hai giá trị xác định đông Sự khác RON MON: RON xác định nhờ động có tốc độ 600 vòng/phút, hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí khơng hâm nóng trước vào xylanh; MON xđ nhờ động 900 vòng/phút, nhiên liệu-khơng khí hâm nóng đến 140oC trước vào xilanh Quá trình hydrotreating gì? Viết trình xảy phản ứng hydrotreating? Cơ chế xúc tác trình? - Quá trình hydrotreating trình dùng H2 loại bỏ dị nguyên tố (lưu huỳnh, nitơ, kim loại…) khỏi hydrocarbon - Các phản ứng chính: Hợp chất lưu huỳnh + H2 → hydrocarbon + H2S Ví dụ: Hợp chất nitơ + H2 Ví dụ: - Hydrocarbon + H2S Hợp chất chứa KL + H2 Hydrocarbon + KL Cơ chế xúc tác: Xúc tác: Chất xúc tác phổ biến sunfua KL/chất mang Al 2O3, chúng thường sản xuất dạng oxit, trình hydrotreating biến dần thành sunfua Các KL tạo oxit Co, Ni, Mo, W… +CoMn/γ-Al2O3 dùng cho dầu nhiều lưu huỳnh +NiMo/γ-Al2O3 dùng cho dầu nhiều nito +NiCoMo/γ-Al2O3 dùng cho dầu nhiều tạp chất S, N, KL Cơ chế: Cơ chế tách lưu huỳnh Các hợp chất chứa lưu huỳnh hấp phụ tâm xác định (các lỗ trống anion) bề mặt xúc tác Bằng cách hấp phụ-khử, cation Co 2+ nhận e từ H2 chuyển thành Co Proton giải phóng tương tác với bề mặt anion lưu huỳnh hình thành SHTrong Mo3+ bị oxh thành Mo4+ giải phóng e Các hc chứa lưu huỳnh bị hydro hóa khử tương tác với SH- e giải phóng từ giai đoạn trước Cho biết cơng nghệ cải tiến q trình khử sâu lưu huỳnh nhiên liệu gì? Phân tích cơng nghệ tiêu biểu 10 Trị số cetane gì? Cách xác định, ý nghĩa đại lượng Sự chênh lệch trị số cetane diesel khoáng biodiesel nào? - Trị số cetan (cetane number-CN) đại lượng đặc trunge cho khả cháy điều hòa nhiên liệu Diesel quy ước sau: Cetane n-C16H34 có CN=100; α-metyl naphtalen có CN=0 Hỗn hợp chứa x% thể tích n-cetane có CN x Trong thực thế, người ta hay dùng hepta-metyl nonan có CN=15 thay cho α-metyl naphtalen nên hỗn hợp x% cetane có CN= x + 0,15.(100-x) - Trị số cetane thường đo động CFC phòng thí nghiệm theo phương pháp ASTM D613-05; TCVN 7630:2007 Bản chất phương pháp so sánh đặc tính cháy mâu động thí nghiệm điều kiện tiêu chuẩn với hai hỗn hợp nguyên liệu so sánh biết trước trị số cetane Điều thực cách sử dụng quy trình chặn chặn tay quay để thay đổi tỷ số nén (số đọc thước tay quay) mẫu cặp nhiên liệu chuẩn chặn chặn Dựa vào thời gian cháy trễ mẫu hai mẫu so sánh cho phép ta nội suy trị số cetane mẫu cần xác định - Trị số cetane khơng có ý nghĩa quan trọng sống trị số Octane, hồn tồn định hiệu suất động cơ, song nhiên liệu có trị số cetane thấp yêu cầu dẫn đén khó khăn, trục trặc khởi động máy, gây tiếng ồn, tạo khí thải độc hại - Biodiesel có trị số cetane cao diesel khống Thơng thường diesel khống có CN khoảng 50-52 (đối với động cao cao tốc CN từ 53-54): biodiesel CN từ 56-58 11 Phân tích ưu-nhược điểm nhiên liệu biodiesel so với nhiên liệu diesel khoáng? Nguồn sản xuất trình tạo sản phẩm nào? - Ưu điểm: + Trị số octane cao so với diesel khống: Biodiesel có trị số cetane cao diesel khống Thơng thường diesel khống có CN khoảng 50-52 (đối với động cao cao tốc CN từ 53-54): biodiesel CN từ 56-58 + Hàm lượng S thấp: khoảng 0,001%kl làm giảm đáng kể lượng khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị OONMT + Quá trình cháy sạch: chứa khoảng 11% oxy nên cháy hoàn toàn + An toàn cháy nổ + Nguyên liệu trồng ni +Nhiệt cháy lớn - Nhược điểm: + Biodiesel đễ phân hủy sinh học: chứa acid béo không no + Thải nhiều NOx so với diesel khoáng - Nguồn sản xuất: sản xuất từ dầu mỡ động-thực vật dầu hạt cải, dầu đậu nành, dầu cọ, dầu cọc rào, mỡ cá, mỡ đọng vật thải - Quá trình sản xuất: + Thực phản ứng este hóa trao đổi este hóa chéo: Xúc tác: đồng thể (acid: H2SO4, H3PO4; kiềm: NaOH, KOH); xt dị thể: acid rắn bazo rắn Nhiệt độ: khoảng 70oC Tỉ lệ dầu/ancol: thường 1/6 đến 1/9 H2C-OCOR1 H2C-OH H2C-OCOR1 + 3CH3OH H2C-OCOR1 H2C-OH H2C-OH R1COO-CH3 + R2COO-CH3 R3COO-CH3 + Sản xuất phương pháp hydrocracking dầu thực vật: Xt: zeolite, KL/chất mang (Ni/SiO2): Ni-Mo/Al2O3; MgO/Al2O3 Nhiệt độ: 450-500oC Bản chất: đứt lk C-H, C-OOR để tạo HC khác nhau, tách CO 2, H2O Sản phẩm thu không chứa oxi có tính chất tương tự diesel khống (Viết phương trình) 12 Cho biết nhiên liệu thu từ trình cracking nhiệt dầu thực vật thải? Và chế trình diễn nào? Cho biết đặc tính nhiên liệu tạo thành so với nhiên liệu khoáng! Sự phân hủy trglycerides no không nno thực tác dụng nhiệt Ở 300°C tồn q trình nhiệt phân triglycerides tạo thành acid béo acrolein Ở nhiệt độ cao (400- 500°C) trình cracking xuất sản phẩm tạo thành hydrocacbon mạch ngắn Cơ chế trình nhiệt tryglyceride no nghiên cứu, sơ đồ chế nhận thấy theo phương trình sau: (1) Phân hủy glyceride: (2) Phân hủy acid béo (3) Phân hủy xeten acrolein (4) Phân hủy nguyên tố (5) Đề hydro hóa parafin (6) Bẻ gãy mạch parafin Cơ chế theo chuỗi sơ đồ phản ứng đưa dựa trình cracking lipit no gồm 16 kiểu phản ứng Phần acid lớn hơn, acrolein, ketene tạo phương trình (1) nhanh chóng bị phân hủy theo phương trình (2) (3) tới phương trình (6) (11) chủ yếu tạo hydrocacbon có nhiên liệu lỏng, đặc biệt phân đoạn xăng Bên cạnh người ta nghiên cứu đưa chuỗi chế phản ứng [2] số [3] Chuỗi chế phản ứng số [2] giải thích q trình cracking lipid sinh gốc tự (A) RCOO’ (B) RCH2O Q trình decarboxyl hóa gốc (A) tạo alkan mạch thẳng alken sau q trình loại tách etylen Q trình tách nhóm CH2=C=O từ gốc (B) cho chuỗi ankan anken sau lại xảy q trình tách etylen 13 Nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-ethanol gì? Và viết trình diễn để tạo ethanol? Cho biết ưu- nhược điểm nhiên liệu bio-ethanol so với xăng gốc Sự phát thải từ hỗn hợp phối trộn gì? - Nguồn nguyên liệu: chủ yếu từ tinh bột xenluloso (ngơ, sắn, mùn cưa, bã mía, ) - Các trình diễn ra: + Quá trình lên men nguồn carbohydrate: (C5H10O6)n + nH2O → nC6H12O6 →2C2H5OH +2CO2 +Q + Quá trình sx etanol: Giai đoạn 1: lên men tạo etanol có nồng độ thấp - Đường phân → glucose → acid pyruvic (CH3-CO-COOH) - Axit pyruvic (CH3-CO-COOH) =>acetaldehyde (CH3-CHO) + CO2 - Acetaldehyde (CH3-CHO) => ethanol (C2H5OH) Giai đoạn 2: Quá trình chưng cất tạo etanol có nồng độ cao (q trình làm khan) -Ưu điểm: + nhiên liệu so với xăng dầu mỏ + cháy sạch, giảm phá thải (có oxy) + gần khơng có lưu huỳnh + nguồn nhiên liệu tái tạo + nguồn nhiên liệu sinh học nên không làm tăng hiệu ứng nhà kính, khơng phác thải khí độc mơi trường + thân xăng ethanol có trị số octane cao nên không cần phải pha phụ gia độc hại vào + sử dụng tương thích với dộng cũ khơng cần phải thay đổi động + có khả phân hủy sinh học giảm NOx, CO -Nhược điểm: + có khả ăn mòn C2H5OH có tính axit + có khả hút nước nên dễ chất lượng xăng + giá thành cao -Sự phát thải: Cả ethanol bioethanol thông thường tạo acetaldehyde, formaldehyde, lượng đáng kể ethanol nồng độ benzaldehyde suốt trình đốt xăng phối trộn Các hợp chất thể mối nguy hiểm nghiêm trọng tới sức khỏe cá nhân tiếp xúc acetaldehyde formaldehyde có khả gây ung thư chúng có khả tạo thành ghép nối cới DNA benzaldehyde biết đến gây đọc thần kinh gây nguy hiểm tới não với nồng độ cao 14 Cho biết q trình tạo khí tổng hợp (CO + H2) từ nguồn nguyên liệu gì? Viết q trình diễn ra? - Sản xuất khí tổng hợp từ sinh khối: khí hóa sinh khối nhiệt độ cao để tối ưu sản phẩm khí Khí tổng hợp thu gồm: CO, CO2, H2O, H2, CH4, HCs, nhựa, than, tro… Sinh khối + tác nhân khí hóa (O2, H2O, N2…) → CO, CO2, H2O, H2, CH4, CHs, nhựa, than, tro, h/c vơ Sau tách khí (CO+H2) từ hỗn hợp khí - Sản xuất khí tổng hợp từ than (cốc): C +H2O = CO +H2 (∆H=+130 kJ/mol) - Từ dầu chưng cất: -(CH2)- + H2O = CO +2H2 (∆H=+151 kJ/mol) Từ nguồn khí tự nhiên (CH4): CH4 + H2O = CO + 3H2 (∆H=+205 kJ/mol) - Sản xuất khí tổng hợp từ q trình khí hóa dầu sinh học: CnHmOk + (2n-k) H2O = nCO2 + (2n+0,5m-k) H2 15 Nêu phản ứng đặc trưng trình Fischer-Tropsh sản xuất nhiên liệu sản xuất methanol? Cơ chế xúc tác sử dụng! Phản ứng đặc trưng trình Fischer-Trosph: nCO + 2nH2 → -(CH2)n- + nH2O (∆H=-167 kJ/mol) - Phản ứng tạo paraffin: nCO + (2n+1) H2 → CnH2n+2 + nH2O Phản ứng olefin: nCO + 2nH2 → CnH2n +nH2O Tạo alcohol hợp chất chứa oxy: nCO + 2nH2 → CnH2n+2O + (n-1) H2 Phản ứng methane hóa CO + 3H2 → CH4 + H2O Phản ứng phụ bao gồm: - Phản ứng Water gas shift: CO + H2O → CO2 + H2 (∆H=-41 kJ/mol) Phản ứng Boudouard: 2CO → C + CO2 (∆H=-172 kJ/mol) Phản ứng tạo cốc: CO + H2 → C + H2O (∆H=-133 kJ/mol) Cơ chế: (1) Hấp phụ chất phản ứng (CO) lên bề mặt xúc tác tạo tiền chất, chuỗi khơi mào xảy phân ly CO bị hấp phụ, tao liên kết bề mặt carbon – oxy liên kết carbon bề mặt liên kết bề mặt oxy (2) Phản ứng phát triển mạch hydrocarbon, trình phát triển mạch diễn nhờ thêm vào nhóm methylen (=CH2), mạch alkyl bị hấp phụ bề mặt xúc tác vị trí methyl cuối (3) Giải hấp phụ tạo sản phẩm Xúc tác: KL/chất mang; KL: kim loại chuyển tiếp nhóm VIIIA Fe, Co, Ru, Re, Pt tổ hợp kim loại Fe-Pt, CO-Re, CO-Ru… Chất mang thường SiO2, Al2O3, TiO2 16 Cho biết nguồn sản xuất hydro, phản ứng tạo hydro, khả tồn chứa H2 nào? Các nguồn sản xuất hydro: - - - H2 sản xuất từ reforming: Tuy nhiên H2 từ q trình khơng tinh khiết Sản xuất H2 từ steam refroming: CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 Xúc tác Ni/Chất mang (Al2O3,MgO) CuO/Fe2O3+Cr2O3 Hoặc CnHm + H2O = H2 + CO Nhiệt phân khí thiên nhiên: CH4 C + H2 Quá trình điện phân nước tác dụng dòng điện chiều H2 O → H + O - Sản xuất hydro từ sinh khối: thực q trình khí hóa sinh khối Khả tồn chứa hydro: - Tồn chứa hydro dạng khí Hydro loại nhiên liệu dễ cháy để tồn chứa hydro dạng khí cần phải có thiết bị chịu áp cao thơng thường chứa bình thép khơng gỉ, có bề dày lớn (nằm ngang, vật liệu composite) - Tồn chứa hydro dạng lỏng: Hydro hóa lỏng, nhiên hydro nhẹ nên tốn nhiều lượng để hóa lỏng, nhiệt độ hóa lỏng -2530C áp suất thường - Tồn chứa hydro sử dụng chất hấp phụ: + Bản chất hấp phum vật lý lên bề mặt chất hấp phụ có mao quản (zeolite, ống cacbon nano, polime có mao quản) tăng nhiệt độ lên H2 giải phóng Ví dụ: H2 giải phóng từ vật liệu silicat (cầu thủy tinh) cần nhiệt dộ 2500C 70% H2 giải phóng - Tồn chứa H2 hợp chất trung gian (h/c hydrua): Thường sử dụng hydrua KL (LiAlH4, NaBH4) Hợp chất hình thành cung cấp nhiệt độ giải phóng H2 17 Phân tích ưu-nhược điểm việc sử dụng H2 làm nhiên liệu Phân tích q trình sản xuất hydro cơng nghệ màng! - Ưu điểm: + H2 xem nhiên liệu nhất, thân thiện với mơi trường (vì cháy sản sinh nước, khơng có khí thải khác) + Nhiệt cháy H2 cao (1kg H2 có nhiệt chấy tương đương 3l xăng) + Khi nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt nhiên liệu hydro nguồn thay + H2 sản xuất từ nhiều nguồn - Nhược điểm: +Giá thành cao (vì cơng nghệ sản xuất pin H2 phức tạp tốn kém) +Việc tồn trữ H2 khơng an tồn với người sử dụng +Khi sử dụng H2 làm nhiên liệu kết cấu đơng cần thay đổi - Quá trình sản xuất H2 công nghệ màng: (trong đề cương viết tay) 18 Nêu nguyên tắc phân tích hoạt động loại pin nhiên liệu hydro! - Cấu tạo pin nhiên liệu: + Hai điện cực Anot Catot + Màng polime rắn + Dây dẫn + Nguồn cấp nhiên liệu H2 O2 (khơng khí) - Phân tích hoạt động: Nhiên liệu H2 vào Anot, anot phân tử H2 phân tách thành proton (H+) electron Chất điên phân (màng polime rắn) đến cho proton (H+) - chảy qua đến cực catot, electron chạy từ cực dương sang cực âm thơng qua dây dẫn tạo thành dòng điện Tại catot, khơng khí (chứa oxy) bơm vào pin cực catot, O2 kết hợp với H+ tạo thành nước ngồi Phương trình: Anot: 2H2=4H+ + 4e Catot: O2 + 4H+ + 4e = 2H2O ... làm nhiên liệu kết cấu đơng cần thay đổi - Quá trình sản xuất H2 công nghệ màng: (trong đề cương viết tay) 18 Nêu nguyên tắc phân tích hoạt động loại pin nhiên liệu hydro! - Cấu tạo pin nhiên liệu: ... (q trình làm khan) -Ưu điểm: + nhiên liệu so với xăng dầu mỏ + cháy sạch, giảm phá thải (có oxy) + gần khơng có lưu huỳnh + nguồn nhiên liệu tái tạo + nguồn nhiên liệu sinh học nên không làm tăng... gõ hỗn hợp nhiên liệu chuẩn có trị dố octane biết trước Sau thực phép đo ta thu tỷ số nén nhiên liệu chuẩn Tra bảng mối quan hệ tỷ số nén trị số octane ta thu trị số octane nhiên liệu cần đo