Thực hiện đưa cấu tử phá đẳng phí là Benzen, heptan, hoặc xyclohexan. Ethanol 96% thể tích được đưa vào cột tách nước ở giữa tháp. Ethanol 99,8% thu được ở đáy tháp được đưa đi làm lạnh và bảo quản. Hỗn hợp đồng sôi cuả ba cấu tử thu được ở đỉnh tháp được ngưng tụ và phân tách trong thùng lắng gạn. Lớp trên của thùng lắng gạn là các hợp chất hữu cơ chứa cả phần tử phá đẳng phí được đưa về cợt tách hydrocacbon, tại đó hydrocacbon phá đẳng phí, ethanol mợt lượng hơi nước được đưa đi tuần hoàn về thiết bị ngưng tụ rồi về thùng lắng gạn.
38
Trong mợt vài hệ nào đó khi đợ hịa tan cho phép thì ta có thể hịa tan ḿi vào trong pha lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là mợt tác nhân riêng cho quá trình chưng luyện trích ly. Khi đó ḿi sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp ở trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol– nước khi thêm muối khan làm cho độ bay hơi thay đổi đáng kể từ đó dùng phương pháp triết tách sẽ tạo được ethanol nguyên chất.
2.2.3.5. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng
Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng lọc dựa trên nguyên tắc sử dụng màng có khả năng hút nước cao, có khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi hỗn hợp các cấu tử.
Bay hơi qua màng rất hiệu quả cho quá trình phân tách hỗn hợp lỏng ví dụ như loại nước ra khỏi hỗn hợp ethanol– nước để sản xuất cồn cao độ. Kích thước của màng phụ thuộc lưu lượng chảy qua màng. Phương pháp này màng lọc rất dễ bị bẩn mất dần khả năng thẩm thấu nên thường xuyên thay màng.
39
Sơ đồ nguyên lý sản xuất cồn theo phương pháp này như sau:
1- thiết bị loại màng zeolite 2-bơm tuye 3-bơm ly tâm 4-thiết bị tận dụng nhiệt 5-thiết bị trao đổi nhiệt 6-bơm chân khơng
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý sản xuất cồn theo phương pháp thấm thấu qua màng
2.2.3.6. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử)
Rây phân tử (hay còn gọi là sàng phân tử) là quá trình sử dụng các chất hấp phụ chọn lọc để phân riêng hỗn hợp có nồng đợ thấp. Khi cho dung dịch cần tách qua chất hấp phụ thì cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản chất hấp phụ sẽ được giữ lại cịn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dịng vật chất có nồng đợ cao hơn. Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ để làm khan hỗn hợp ethanol – nước, với chất hấp phụ thường dùng là zeolite, than hoạt tính, silicagel… Kích thước động học của ethanol và nước được biết hiện nay là:
- Kích thước động học của nước 2,75 A0
- Kích thước động học của ethanol 3,95 A0
Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng 2,75 A0 – 3,95 A0 sẽ có khả năng làm khan được cồn, thường dùng Zeolite 3A để làm chất hấp phụ. Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng khí Nitơ nóng hoặc dùng trực tiếp cồn khan để nhả hấp.
40
Trong công nghệ làm khan cồn bằng chất hấp phụ lại được thực hiện bằng rất nhiều cách: hấp phụ cồn dưới dạng hơi, cồn dạng lỏng, thực hiện hấp phụ bằng hai tháp hay ba tháp, tháp tầng cố định hoặc tầng sô. Dưới đây là sơ đồ cơng nghệ của các phương pháp trên
Hình 2.6. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng lỏng sử dụng hai tháp
Hình 2.7. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng ba tháp
41
đưa qua cột hấp thụ chưa phần tử zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi. Nước sẽ bị hấp thụ và giữ lại trên cột, ethanol không bị hấp thụ đi ra khỏi cột. Để quá trình sản xuất được liên tục thơng thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp thụ khi tháp A tiến hành hấp thụ thì tháp B tiến hành tái sinh chất hấp thụ và ngược lại. Với 3 tháp hấp thụ thì tháp 1 tiến hành hấp thụ, tháp 2 tiến hành nhả hấp, tháp 3 làm mát chất hấp thụ.
Trên hai sơ đồ chưng cất trên mỗi sơ đồ đều có những ưu nhược điểm riêng ở đây không đi sâu vào phân tích, kết quả sản phẩm cuối cùng của những tháp chưng cất trên đều thu được cồn tinh khiết đến 99,5% phù hợp với việc sử dụng làm nhiên liệu.
2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam
2.3.1. Tình hình sản xuất
Ethanol ở Việt Nam được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu rỉ mía đường, sắn lát. Mỗi năm tổng công suất sản xuất ethanol trên cả nước đều tăng tập trung ở 3 nhà máy lớn có cơng suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là nhà máy đường Hiệp Hoà, Lam Sơn, nhà máy bia rượu Bình Tây… và hàng trăm cơ sở sản xuất có quy mơ nhỏ lẻ với cơng suất từ 3.000 – 5.000 lít/ngày. Sản lượng ethanol Việt Nam hiện nay cịn rất nhỏ, cơng suất sản xuất của mỗi nhà máy cũng nhỏ, các đơn vị sản xuất ethanol đang gặp nhiều khó khăn do nguồn ngun liệu khơng ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu, tớn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm khơng có sức cạnh tranh cao.
Do nhu cầu thị trường tiêu thụ ethanol trong nước ngày càng tăng, các đơn vị sản xuất ethanol trong nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy mới (Công ty cổ phần mía đường Biên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy cơng suất 60.000 lít/ngày, Cơng ty CP ethanol sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3/năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng Nam, Cơng ty CP Hố dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí xây dựng nhà máy cơng suất 100.000 tấn/năm tại Phú Thọ…). Năng suất sản xuất nhiên liệu ethanol của một
42
số nhà máy tại Việt Nam được đưa ra trong Bảng 2.2:
Bảng 2.2. Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam
Tên nhà máy
Công suất Ngày hoạt động
Chủ đầu tư Tiến độ
Nhà máy Đại Lộc, Quảng Nam 100 Triệu lít/năm Tháng
3/2009 Công ty Đồng Xanh thành lắp đặt Đang hoàn máy Nhà máy Cư-Dút, Đắc Nông 50 Triệu lít/năm Tháng
12/2008 Công ty Đại Việt Đang chạy thử
Nhà máy Tam Nông, Phú Thọ 100 Triệu lít/năm Tháng 6/2011 Công ty PVB, thuộc PV OIL Đã động thổ khởi công ký hợp
đồng EPC Nhà máy Dung Quất 100 Triệu lít/năm Tháng 7/2011 Petrosetco, NMLD Bình Sơn thuộc
Petrovietnam
Đã động thổ khởi công ký hợp
đồng EPC Nhà máy Bình Phước 100 Triệu lít/năm Tháng 7/2011 Liên doanh ITOCHU Nhật Bản
và PV OIL
Dự kiến quý I năm 2010 ký hợp
đờng EPC và khởi cơng
2.3.2. Tình hình sử dụng
Ngày 15/9/2008 Công ty cổ phần kinh doanh hóa dầu và nhiên liệu sinh học (PVB), một đơn vị thành viên của Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOIL) đã lần đầu tiên giới thiệu và bán thí điểm xăng E5 tại hai trạm bán lẻ xăng dầu ở Hà Nội thuộc hệ thống phân phối xăng dầu của PVOIL. PVB nhập khẩu ethanol tuyệt đối 99,6 % thể tích từ Trung Q́c, sau đó pha với xăng A95 và A92 với tỷ lệ 5 % ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5. Xăng vẫn bảo đảm an toàn cho động cơ đồng thời giảm ô nhiễm môi trường.
Xăng E5 ban đầu được bán thử nghiệm cho 50 xe tắcxi gồm hai loại: loại 4 chỗ và 7 chỗ ngồi, thuộc hiệp hội taxi thành phố Hà Nội. Thời gian bán thử nghiệm
43
là 6 tháng, PVB đã thu thập các ý kiến phản hồi từ khách hàng để trình kết quả thử nghiệp với Bợ Công thương.
Sự giới thiệu và sử dụng xăng E5 đã được công chúng tiếp nhận nhiệt tình trong điều kiện hồn cảnh giá xăng dầu trong nước và lạm phát tăng cao. Hàng nghìn người đã xếp hàng chờ mua và háo hức sử dụng loại nhiên liệu mới này.
Tuy nhiên Bộ Công thương đã yêu cầu dừng bán xăng E5 rộng rãi ra cơng chúng vì đến thời điểm năm 2008, Việt Nam chưa có quy chuẩn quy định về xăng pha ethanol, trong khi đó xăng dầu là mặt hàng phải tuân theo quy chuẩn của Nhà nước nên không thể bán ra thị trường nếu khơng có quy chuẩn. Cơng ty PVB chỉ được phép bán thử nghiệm cho các xe taxi một thời gian để đánh giá tác động của loại xăng mới đối với động cơ xe đang lưu hành tại Việt Nam, sau đó phải có quy chuẩn Nhà nước về loại xăng này mới được bán rộng rãi ra công chúng.
Nhiều công ty và các tổ chức khoa học cũng đã chủ động phối hợp nghiên cứu và thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của việc xăng pha ethanol đối với động cơ và việc phân phối thử nghiệm xăng E5 thương mại như trung tâm nghiên cứu dầu khí (PVPRO), Cơng ty taxi Đà Nẵng, Công ty xăng dầu Petrolimex miền trung, Công ty cổ phần sản xuất ethanol Đồng Xanh,... Viện Nghiên cứu rượu bia và nước giải khát cũng đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả về sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ. Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp. Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Cơng ty Mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ở ethanol quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng.
Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nợi, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó đã chứng minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng.
Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL). PV OIL đã tiến hành đầu tư hai nhà máy
44
ethanolvới tổng công suất 200 triệu lít/năm, trong đó dự án đầu tư xây dựng Nhà máy ethanol Bình Phước được thực hiện với sự hợp tác đầu tư cùng Tập đoàn ITOCHU Nhật Bản tại tỉnh Bình Phước.
Sau khi Bợ Cơng thương đã chấp thuận kết quả thử nghiệm xăng E5 của công ty PVB và trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu E5, B5 mới được ban hành trong tháng 5/2009, Tổng công ty Dầu Việt Nam đã thành lập Ban chuyên trách (task force) gồm các lãnh đạo và các nhân sự chủ chốt của PV OIL để tiến hành triển khai bán thí điểm xăng E5, B5 trên phạm vi 6 tỉnh thành lớn nhất Việt Nam là thành phớ Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tầu, Nha Trang.
Tháng 10/2010 ethanol E5 đã chính thức được bán rộng rãi ra thị trường.
2.4. Một số ảnh hưởng của ethanol sinh học đến động cơ
Tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng và ethanol được đưa ra trong Bảng 2.3 dưới đây:
Bảng 2.3. Bảng so sánh tính chất của ethanol và xăng
Tính chất Đơn vị Ethanol Xăng
Công thức - C2H5OH Hợp chất C4 đến C12
Phân tử lượng - 46,07 100 -105
Thành phần % kl
- Cacbon 52,2 85-88
- Hydro 13,1 12-15
- Oxy 34,7 0
Nhiệt độ sôi ºC 78,3-78,5 27-225
Tỷ trọng kg/L 0,792 0,72-0,78
RVP kPa 15-17 50-100
RVP hỗn hợp kPa 118-144 50-100
Nhiệt hóa hơi kJ/kg 842-930 330-400
Nhiệt trị thấp kJ/kg 27 000 43 000
Nhiệt độ tự bốc cháy ºC 365-425 257
45
Tính chất Đơn vị Ethanol Xăng
Tỷ lệ công tác A/F Kg/kg 8,9-9,0 15
Thể tích tương đương, LHV L/L của xăng 1,53 1,0
RON - 102-130 90-100
MON - 89-96 80-92
(R+M)/2 - 96-113 85-95
RON sau pha chế - 112-120 90-100
MON sau pha chế - 95-106 80-92
Độ nhớt cSt tại 20ºC 1,19 0,37-0,44
cSt tại -20ºC 2.84 0,60-0.77
Độ tan trong nước %tt tại 21ºC 100 Rất ít tan
Hàm lượng CO2 kg/kg nhiên
liệu 1,91 3,18
Năng lượng hỗn hợp công
tác Btu/ft
3
94,7 94,8
Từ bảng so sánh tính chất trên ta nhận thấy tính chất của ethanol và của xăng có nhiều khác biệt trong đó cần chú ý đến các ảnh hưởng như ảnh hưởng của thành phần oxy đến nhiệt trị và lượng khơng khí lí thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu ethanol và tới nhiệt trị của nhiên liệu do đó cần cải tiến hệ thớng nhiên liệu để giữ nguyên công, ảnh hưởng của nhiệt hóa hơi tới quá trình bay hơi và hòa trợn nhiên liệu với khí nạp do khó bay hơi ở nhiệt đợ thấp nên cần có những cải tiến và thử nghiệm hệ thống sấy nhiên liệu; ảnh hưởng của nhiệt độ chớp cháy lớn; thời gian cháy của nhiên liệu ảnh hưởng tới góc đánh lửa tới ưu; ảnh hưởng của trị số octan của nhiên liệu có thể tận dụng để tăng tỉ sớ nén của đợng cơ nhờ đó tăng được hiệu suất và hiệu quả kinh tế; ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu tới quá trình ăn mịn và lão hóa các chi tiết của xe…. sau đây ta đi xét một số ảnh hưởng.
2.4.1. Ảnh hưởng của thành phần oxy đến giới hạn cháy và nhiệt trị của ethanol
Trong phân tử ethanol có thêm thành phần oxy nên về mặt lý thuyết thì điều này tránh được hiện tượng thiếu cục bộ oxy trong hỗn hợp. Do đó làm cho quá trình
46
đớt cháy nhiên liệu được hoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC mặt khác sự có mặt oxy trong phân tử ethanol dẫn đến giảm lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để cung cấp cho mợt đơn vị nhiên liệu. Giá trị lượng khơng khí lý thuyết L0 cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu được xây dựng như sau.
Cacbon và hydro trong nhiên liệu phản ứng cháy hoàn toàn với oxy theo các phản ứng sau:
C + O2 = CO2 (3-1) 2H2 + O2 = 2O (3-2)
Để tính lượng khơng khí cần thiết đớt cháy hồn tồn 1 kg nhiên liệu (kgnl), ta sử dụng (3-1) và (3-2) cho hai trường hợp là L0(kg/kgnl).
Từ phương trình (3-1) và (3-2) ta có:
- Đớt cháy hết 1kg cacbonic cần 8
3 kg oxy - Đốt cháy hết 1kg hydro cần 8 kg oxy Trong 1 kgnl có C kg cacbon, H kg hydro và O kg oxy.
Vậy lượng oxy cần thiết O0 để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là tổng lượng oxy của (3-1) và (3-2) trừ đi lượng oxy có sẵn trong nhiên liệu O.
O0 = 8
3 C + 8H – O (kg/kgnl) (3-3)
Trong khơng khí có thể coi khới lượng oxy chiếm 23% tức là thành phần khối lượng
2
O
m = 0,23. Do đó lượng khơng khí cần thiết L0 để đớt cháy hồn tồn 1 kg nhiên liệu là: L0 = 2 0 O O m = 1 (8 8 ) 0, 23 3C H O (kg/kgnl)(3-4)
Trong đó O0 – lượng oxy cần thiết để đốt cháy hết 1kg ethanol (kg),
2
O
m - thành
phần khối lượng của oxy trong khơng khí, C, H, O- thành phần khối lượng của cacbon, thay các giá trị thành phần khới lượng trong Bảng 2.3 ta có:
Với nhiên liệu xăng thì %H = 0,145, %C = 0,855 thì giá trị L0 là khoảng 14,7 kg khơng khí.
47
Với nhiên liệu ethanol thì %H = 13,1, %C = 52,2 và %O = 34,7 thì giá trị L0đối với là khoảng 9 kg thấp hơn hẳn xăng khoảng 1,7 lần.
Việc tính toán để đưa ra giá trị L0 khá quan trọng, căn cứ vào đó để có thể có điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu cấp vào trong mợt chu trình làm việc để có hịa khí phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Đây cũng là thông số quan trọng để xây dựng được đường đặc tính của bợ chế hịa khí từ đó đưa ra cơ sở để tính tốn và thiết kế các cụm cơ bản của bộ chế hòa khí cơ khí lẫn điện tử, việc xây