Nghiên cứu về quá trình tách pha của xăng pha cồn và biện pháp khắc phục

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

Trị số Octah, ON

hoá (xăng trùng hợp) được thể hiện trong hình 1. [18]

Phương pháp động cơ

Phương pháp nghiên cứu

100
90
80
70

100
90

Xăng trùng hợp
Cracking xúc tác

80
70

Xăng Cracking nhiệt

Cracking xúc tác
Xăng Cracking nhiệt

60

60
50
40

Xăng trùng hợp

Xăng chưng cất trực tiếp

0 5 10 15 20 25

50
40

Xăng chưng cất trực tiếp

0 5 10 15 20 25

Hình 1. Độ tăng trịPhần
số Octan
một vài
loại xăng
trộn
Ethanol
trămcủa
Ethanol
trong
nhiênpha
liệu,
%TT

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,

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

0,6

%TT

Lượng nước,

và hàm lượng này có thể đạt tới 0,5% thể tích trước khi bị tách pha.

0,5
0,4
0,3

Hình 2. Hàm lượng nước cho phép trong xăng pha 10% Ethanol

0,2
-40
-20
0
20
40
60
80

MTBE có ái lực với nước kém hơn so với Ethanol nên quá trình tách
Nhiệt độ, F
0
pha trong xăng pha MTBE dễ xảy ra với
t độ,một
F 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 100 0F 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 70 0F và độ ẩm 70% thì phải mất 2 năm để bão

Hàm lượng nước cho phép, %TT

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
2,6
Ethanol 40%
lượng nước ít hơn (xem hình 3) [16].
2,4
35%
2,2
2,0
30%
1,8
1,6
25%
1,4
1,2
20%
1,0
0,8
15%
0,6
0,4
10%
5%
0,2
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Nhiệt độ, 0F

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 các hợp chất như ipropanol, i-butanol, n-decanol, axit palmitic, fusel oil (FO) và được coi là
những chất ức chế quá trình tách pha có hiệu quả nhất [33]. Theo báo cáo


của Trường Đại Học Công Nghệ Istanbul (Thỗ Nhĩ Kỳ) tháng 4/1996 đã chỉ
ra rằng FO có hiệu quả cao trong việc làm giảm hiện tượng tách pha và làm
tăng lượng nước hoà tan trong hỗn hợp Ethanol/xăng không chì. Đối với các
nước có nguồn nguyên liệu mía đường dồi dào như Braxin, Ấn Độ,... thì
thường sử dụng FO làm tác nhân chống tách pha (FO là sản phẩm phụ của
quá trình lên men đường trong sản xuất Ethanol). [14,29]

Bên cạnh đó cần đưa thêm các chất ức chế ăn mòn động cơ để ngăn
chặn các tác động gây ăn mòn của nước.
Bảng 14. Các chất ức chế ăn mòn được pha vào hỗn hợp Ethanol/xăng

Loại chất ức chế

Chi phí xử lý
(bảng Anh/1000 thùng Ethanol)

Octel DCI – 11

20

Petrolite Tolad 3222

20

Petrolite Tolad 3224

13

Nalco 5403

30

ENDCOR FE-9730 (formerly Betz ACN13)

20

MidContinental MCC 501 1E

20

MidContinental MCC 501 1EW

27

Chú thích: 1 thùng ≈ 150 l.