ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU CỒN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng nói chung và nhiên liệu nói riêng có một vai trò rất quan trọng
trong việc phát triển kinh tế đối với một quốc gia. An ninh năng lượng có ảnh hưởng
lớn đến an ninh kinh tế và an ninh Quốc gia. Bên cạnh đó, vấn đề giảm thiểu ô nhiễm
môi trường, bảo vệ tầng ôzôn đang là vấn đề cấp thiết mang tính toàn cầu. Động cơ
đốt trong được sử dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ
lượng nhiên liệu lớn, đồng thời là nguồn phát thải nhiều chất độc hại ra môi trường.
Vì vậy, nghiên cứu thay thế nhiên liệu gốc khoáng đang ngày càng cạn kiệt bằng các
nguồn nhiên liệu có khả năng tái tạo như các loại có nguồn gốc sinh học đã và đang
được thế giới quan tâm.. .
Ở Việt nam, hiện nay nhiên liệu xăng và diesel còn phụ thuộc nhiều vào nguồn
nhập khẩu với tổng nhu cầu khoảng hơn 8,5 triệu tấn vào năm 2005. Theo đà phát
triển của nền kinh tế đất nước cùng với quá trình hội nhập, nhu cầu sử dụng nhiên liệu
sẽ tăng trưởng với tốc độ lớn, dự báo đến năm 2020 tổng nhu cầu trong nước đạt gần
20 triệu tấn/năm.
Thấy rõ tầm quan trọng của việc nghiên cứu thay thế nguồn nguyên liệu gốc
khoáng, từ những năm 1990 các nhà khoa học trong nước đã tiến hành nghiên cứu sử
dụng các nguồn nhiên liệu sạch khác nhau như khí ga, Ethanol và este dầu thực vật
thay thế nhiên liệu gốc khoáng. Tuy nhiên để sử dụng được một loại nhiên liệu trên
động cơ cần nghiên cứu đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của nhiên liệu đó đến đặc tính
kinh tế kỹ thuật và độ bền của động cơ. Đối với nhiên liệu xăng sinh học, do hàm
lượng ôxy tăng lên nên khả năng ôxy hóa cũng cao hơn so với nhiên liệu truyền
thống. Nhiên liệu pha 5% cồn (E5) đã được chứng minh là có thể sử dụng trên động
cơ xăng mà không cần phải thay đổi kết cấu và vật liệu chi tiết. Với hàm lượng cồn
cao hơn như các nhiên liệu E10, E15, E20, có thể làm ô xy hóa, lão hóa hay trương nở
các chi tiết của động cơ, đặc biệt là các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu.
Xuất phát từ thực tế đó, việc nghiên cứu tính tương thích của xăng pha Ethanol
với tỷ lệ pha trộn cồn cao hơn 5% đối với các chi tiết của hệ thống nhiên liệu trên ôtô
xe máy, một loại phương tiện phổ biến nhất ở Việt Nam, là nhu cầu bức thiết.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 1


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Tóm tắt:
Khủng hoảng và an ninh về nhiên liệu gốc từ dầu mỏ đang là vấn đề
nóng được toàn thế giới quan tâm. Nhiên liệu này ngày càng đắt và cạn kiệt,
ngoài ra khi sử dụng loại nhiên liệu này gây ô nhiễm cho môi sinh rất lớn, tăng
khí thải nhà kính,…Vì vậy nhiều loại nhiên liệu thay thế đang được nghiên cứu
và sử dụng. Một trong số đó là cồn sinh học. Nó được pha vào nhiên liệu gốc
dầu mỏ với một tỷ lệ lên đến 85%-90% dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong.
Từ khóa: ô nhiễm, nhiên liệu, cồn sinh học.
Abstract:
Crude oil- based fuel security and crises are “hot” topic drawing
attention in the world. The fuel is increasingly expensive and exhansted,
besides using this fuel causes environmental pollution, increases the Green
house gas etc. Therefore,alternative fuels have been researched and applied.
One of them is Bioethanol. Bioethanol is blended with crude oil based fuel at
percentage of ethanol up to 85%-90% as fuel in Internal combustion engine.
Keywords: pollution, fuel, bioethanol.
CHƯƠNG 1. NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NGHIÊN CỨU NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI
1.1. Tại sao phải nghiên cứu nguồn năng lượng mới?
1.1.1. Khái niệm nhiên liệu hóa thạch, năng lượng mới
Nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí của xác các
sinh vật, bao gồm thực vật phù du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển (hồ) với
số lượng lớn trong các điều kiện thiếu ôxy, cách đây hàng triệu năm. Trải qua thời gian

địa chất, các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên dưới các lớp trầm tích
nặng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật chất hữu cơ bị biến đổi hóa
học, đầu tiên là tạo ra kerogen ở dạng sáp. Chúng được tìm thấy trong các đá phiến sét
dầu và sau đó khi bị nung ở nhiệt cao hơn sẽ tạo ra hydrocacbon lỏng và khí bởi quá

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 2


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

trình phát sinh ngược. Ngược lại, thực vật đất liền có xu hướng tạo thành than. Một vài
mỏ than được xác định là có niên đại vào kỷ Phấn trắng.
Năng lượng mới là nguồn năng lượng thay thế năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch.
Tức là nguồn năng lượng chính của chúng ta ngày nay để phát điện, chạy xe, …,
1.1.2. Hiện trạng của môi trường
Ở Hoa Kỳ, có hơn 90% lượng khí nhà kính thải vào môi trường từ việc đốt nhiên
liệu hóa thạch. Đốt nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra các chất ô nhiễm không khí khác như
các ôxít nitơ, điôxít lưu huỳnh, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các kim loại nặng.
Đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra các axít như sulfuric, cacbonic và nitric, các chất có
nhiều khả năng tạo thành mưa axítvà ảnh hưởng đến các vùng tự nhiên và hủy hoại môi
trường. Các tượng điêu khắc làm bằng cẩm thạch và đá vôi cũng phần nào bị phá hủy do
axít hòa tan cacbonat canxi.
Nhiên liệu hóa thạch cũng chứa các chất phóng xạ chủ yếu như urani và thori,
chúng được phóng thích vào khí quyển. Năm 2000, có khoảng 12.000 tấn thori và 5.000
tấn urani đã bị thải ra từ việc đốt than. Người ta ước tính rằng trong suốt năm 1982, Hoa
Kỳ đốt than đã thải ra gấp 155 lần so với chất phóng xạ thải vào khí quyển của sự cố đảo
Three Mile.
Bốt than cũng tạo ra một lượng lớn xỉ và tro bay. Các chất này được sử dụng

với nhiều mục đích khác nhau, chiếm khoảng 40% sản lượng của Hoa Kỳ.
1.1.3. Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch
Mức cấp nguồn năng lượng chủ yếu là lượng dự trữ trong lòng đất. Lưu lượng là sản
lượng khai thác. Phần quan trọng nhất của nguồn năng lượng chủ yếu là nguồn năng
lượng hóa thạch gốc cacbon. Dầu mỏ, than và khí chiếm 79,6% sản lượng năng lượng
chủ yếu trong năm 2002 .
Mức cấp (dự trữ đã xác định)

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 3


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
•

Dầu mỏ: 1.184 đến 1.342 tỉ thùng (ước tính giai đoạn 2007-2009).

•

Khí: 6.254-6.436 nghìn tỉ ft³ (177 - 182 nghìn tỉ m³)hay 1.138-1.171 tỉ thùng dầu
quy đổi (BBOE) giai đoạn 2007-2009 (hệ số 0,182).

•

Than: 997,748 tỉ tấn Mỹ hay 904,957 tỉ tấn hay 997.748 * 0,907186 * 4,879 =
4.416 BBOE (2005).
Lưu lượng (sản lượng tiêu thụ hàng năm) năm 2007.

•

Dầu mỏ: 85,896 triệu thùng/ngày.

•

Khí: 104,425 nghìn tỉ ft³ (2,957 nghìn tỉ m³) * 0,182 = 19 BBOE.

•

Than: 6,743 tỉ tấn Mỹ * 0,907186 * 4,879 = 29,85 BBOE.
Số năm khai thác còn lại với lượng dự trữ tối đa được xác định (Oil & Gas Journal,

World Oil).
•

Dầu mỏ: 1.342 tỉ thùng dự trữ / (85,896 triệu thùng nhu cầu một ngày * 365 ngày)
= 43 năm.

•

Khí: 1.171 BBOE / 19 BBOE = 60 năm.

•

Than: 4.416 BBOE / 29,85 BBOE = 148 năm.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Nghiên cứu về nhiên liệu cồn để làm gì?
Do nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho các phương tiện xe cơ giới cũng như dùng
cho các hoạt động sản xuất công nghiệp khác của các nước trên thế giới ngày càng gia

tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, do vậy con người cần
tìm nguồn năng lượng thay thế loại nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu sinh học được coi
là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề trên. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu xăng
pha ethanol ở các loại xăng sinh học có nồng độ ethanol nhỏ hơn 5%,.
1.2.2. Hiện trạng của nhiên liệu cồn

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 4


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Không chỉ được sử dụng phổ biến ở hơn 50 quốc gia trên thế giới, xăng sinh học
còn được coi là nguồn nhiên liệu của tương lai giúp các quốc gia giải quyết vấn đề về
môi trường, an ninh năng lượng, chủ động về nguồn cung…
Hiện nay, nhiên liệu sinh học được sử dụng phổ biến ở hơn 50 quốc gia trên thế
giới. Các quốc gia như Mỹ, Canada, các nước Tây Âu … đều có kế hoạch sản xuất nhiên
liệu thay thế ở quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học ngày càng
tăng một cách ổn định.
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CỒN
2.1. Khái niệm, phân loại cồn
Hiện nay nhiên liệu cồn sử dụng trong động cơ đốt trong là cồn tinh chế hoặc
hỗn hợp xăng pha cồn.
Cồn tinh chế thường được sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ đốt trong là:
methanol và ethanol.
2.1.1. Nguồn gốc, tính chất của Methanol
Methanol được sản xuất chủ yếu từ khí thiên nhiên hoặc than đá. Methanol ở dạng
chất lỏng có thể được sử dụng cho động cơ đốt trong hoặc tế bào nhiên liệu.
− Công thức hóa học: CH3OH

− Công thức cấu tạo và cấu trúc không gian:

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 5


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

2.1.2. Nguồn gốc, tính chất của Ethanol
Ethanol còn được biết đến với tên rượu ethylic hay rượu ngũ cốc hay Ethanol,
là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu methylic, dễ cháy, không
màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa
Ethanol. Trong cách nói dân dã, thông thường nó được nhắc đến một cách đơn giản là
rượu. Công thức hóa học của nó là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O.
Ethanol được sản xuất tử bắp và mía đường. Ngày nay các công nghệ mới có thể
sản xuất ethanol từ giấy phế thải, mùn cưa hoặc một số nguyên liệu có giá trị thấp khác
như vỏ, cành cây xanh, phế thải nông nghiệp.
− Công thức hóa học: C2 H5OH
− Công thức cấu tạo và cấu trúc không gian:

− Các thông số của ethanol:

2.2. Cấu trúc của nhiên liệu cồn
Hầu hết nhiên liệu chúng ta sử dụng như than đá, xăng dầu kerosene, dầu diesel,

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 6

Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

butane, propane….. chủ yếu là các chất hydrocacbon.
Cấu trúc của một nhóm đơn methane gồm 1 nguyên tố cacbon và 4 ngyên tố
hydrogen. Ethanol với 2 nguyên tố cacbon và 6 nguyên tố hydrogen. Propane với 3
nguyên tố cacbon và butane có 6 nguyên tố cacbon.
Khi chúng ta thêm nhiều cacbon vào phần tử hydrocacbon thì dạng hóa học sẽ
thay đổi thành thể lỏng: pentane, hexane, octane….khi chúng ta tiếp tục cho nhiều phần
tử vào thì chng chuyển thành thể rắn.
2.3. Quy trình sản xuất nhiên liêu cồn
Ethanol: sản xuất bằng công nghiệp hóa dầu thông qua công nghệ Hydrat hóa
Etylen và theo phương pháp sinh học bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men
rượu;
Metanol: tổng hợp từ khí thiên nhiên, dầu thô, than đá, khí sinh khối hoặc từ các
chất thải hữu cơ.

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình sản xuất Ethanol

Công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu từ Sắn lát khô

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 7


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Hình2.2 : Sơ đồ quá trình sản xuất cồn nhiên liệu từ Sắn lát khô

2.3.1. Nghiền
nhiên liệu

Mục đích: phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng hạt
tinh bột khỏi các mô, để khi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp biến tinh bột
thành dạng hòa tan.

Sắn lát được đưa vào máy nghiền búa.
Trong quá trình nghiền: các phần nhỏ lọt qua rây được quạt hút và đẩy ra
ngoài, phần chưa lọt qua rây tiếp tục được nghiền nhỏ.
Đối với sắn khô ta phải nghiền càng mịn càng tốt.
2.3.2. Nấu nguyên liệu
a. Mục đích
Tinh bột nằm trong màng tế bào, khi nghiền chỉ một phần màng tế bào bị phá vỡ
do vậy hạn chế tiếp xúc Amylaza, mục đích của nấu nhằm:

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 8


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Phá vỡ màng tế bào tinh bột, tạo điều kiện chúng hình thành trạng thái hòa tan

trong dung dịch.
− Hơn nữa nấu nguyên liệu là một quá trình ban đầu nhưng rất quan trọng trong

sản xuất cồn, sản phẩm tốt hay xấu phụ thuộc nhiều vào kết quả nấu.
b. Quy trình nấu
Tùy vào điều kiện trang thiết bị của các cơ sở sản xuất có thể chọn các phương

pháp nấu: gián đoạn, bán liên tục và liên tục
 Nấu gián đoạn:

Nấu gián đoạn là toàn bộ quá trình nấu được thực hiện cùng một nồi
− Ưu điểm: tốn ít nhiên liệu để chế tạo thiết bị, thao tác đơn giản.
− Nhược điểm: tốn nhiều hơi vì không sử dụng được hơi nấu, nấu lâu ở áp

suất và nhiệt độ cao gây tổn thất nhiều đường.
Nguyên liệu đưa vào nồi có thể ở dạng hạt hoặc lát nhưng tốt nhất là ở dạng bột
để tăng năng suất và hạn chế tổn thất.

Hình 2.3: Cấu tạo nồi nấu gián đoạn

Quy trình nấu :
− Cho toàn bộ nước vào nồi tỉ lệ 3.5-4/1kg sau đó cho cánh khuấy làm việc

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 9


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

và đổ nguyên liệu vào. Đậy nắp xông hơi cho đến khi đạt áp suất yêu cầu.
− Lúc đầu cần mở van xả để đuổi hết không khí ra ngoài cho tới khi van xả

thoát ra chỉ có hơi nước bão hòa.
− Đóng bớt van xả và khi áp suất đạt tới áp suất thì ta bắt đầu tính thời gian

nấu. Đối với bột thường nấu ở 3-3.5 kg/cm3 với thời gian khoảng 60 – 70

phút. Trong quá trình này có thể bổ sung thêm acid để nấu mau chín và khi
làm lạnh dịch cháo tinh bột không bị lão hóa. Nhưng acid sẽ gây ăn mòn
thiết bị và ảnh hưởng tới hoạt động của amylaza.
o Thỉnh thoảng cần kiểm tra đến khi nào cháo có mùi thơm nhẹ, màu vàng
rơm là đạt yêu cầu. Nấu xong mở van từ tử phóng cháo sang thùng
đường hóa.
Toàn bộ quá trình nấu kéo dài từ 2.5-3 giờ.
 Nấu bán liên tục

Nấu bán liên tục là quá trình nấu được tiến hành trong ba nồi khác nhau và được
chia thành nấu sơ bộ, nấu chín và nấu thêm.
− Ưu điểm: giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao nhờ sử dụng hơi thứ

sơ bộ mà giảm tổn thất và tăng hiệu suất.
− Nhược điểm: tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị.

Quy trình nấu bán liên tục:
− Đầu tiên cho nước ở 40-500C cùng tỉ lệ bột 3.5-4/1kg.
− Cho cánh khuấy làm việc đổ bột vào dung hơi thứ duy trì 60 phút.
− Tháo cháo xuống nồi nấu chín, tiến hành tương tự như nấu gián đoạn, chỉ

khác là áp suất và thời gian ít hơn.
− Nấu chín xong cháo phóng sang nồi nấu chín thêm với P= 0.6 atm, T=

1050C và t= 55 phút.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 10

Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Hình 2.4: Cấu tạo nồi nấu bán liên tục

 Nấu liên tục:

Nấu liên tục là quá trình nấu trải qua 3 giai đoạn và trong 3 thiết bị khác nhau
nồi nấu sơ bộ, nồi nấu chín và nồi nấu thêm.
− Ưu điểm:
o Tận dụng được nhiều hơi thứ do có thể đun dịch cháo tới nhiệt độ cao mà

không ảnh hưởng tới hoạt động của thiết bị.
o Cho phép nấu ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn giảm tổn thất đường do

cháy hoặc tạo melanoidin. Nhờ đó mà năng suất nấu cao hơn gián đoạn.
o Dễ cơ giới hóa và tự động hóa, tốn ít kim loại chế tạo thiết bị do năng suất

riêng của 1 cm3 tăng lên 7 lần.
− Nhược điểm: đòi hỏi nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ, đảm bảo ổn định

nhiệt, hơi, nước.
Quy trình nấu liên tục:
− Theo tỉ lệ tính trước, bột và nước liên tục vào thùng hòa bột 1 ở T= 35-

400C, thùng hòa bột là thùng nằm ngang có cánh khuấy, được chia làm hai
ngăn không bằng nhau.
Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 11

Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Từ van a dịch bột vào nồi nấu sơ bộ. Nồi nấu sơ bộ có hình trụ nằm ngang

cánh khuấy với tốc độ 26 vòng/phút. Ở đây dịch cháo được đun nóng ở
T=80- 850C.
− Dịch cháo được tạm chứa ở thùng và bơm pitông đưa liên tục qua nồi nấu

chín. Nồi nấu chín được chia làm nhiều ngăn. Tại đây, dịch cháo chảy từ
trên xuống còn hơi được cấp từ dưới lên tạo nên 3 vùng với T khác nhau.Ở
đáy 1400C, ở giữa 1350C và trên cùng 1300C.
− Do đi ngược chiều nên dịch cháo được khuấy mạnh và đun nóng tới mức

cần thiết. Ra khỏi nồi nấu chín dịch cháo được đưa liên tục qua nồi nấu
chín thêm.Nồi này bên trong chia làm 3 ngăn theo chiều thẳng đứng. Dịch
cháo vào dưới đầy dần tới vách ngăn rồi lại đi từ trên xuống dưới tiếp đó
theo ngăn thứ 3 vào nồi tách hơi và kết thúc giai đoạn đi vào quá trình
đường hóa.
Thời gian cả quá trình t= 50- 60 phút.
2.3.3. Đường hóa dịch cháo
Quá trình dung ezim amylaza để chuyển hóa tinh bột thành đường dễ lên men.
Quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi cồn.
Đường hóa dịch cháo có thể tiến hành theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục
trên các sơ đồ thiết bị khác nhau. Nhưng dù theo phương pháp nào cũng bao gồm các
công đoạn chính sau:
− Làm lạnh dịch cháo tới nhiệt độ đường hóa
− Cho chế phẩm amylase vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độ trong thời gian xác

định để amylaza chuyển hóa tinh bột thành đường.

− Làm lạnh dịch đường hóa tới nhiệt độ lên men.

a. Đường hóa liên tục
 Ưu điểm:

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 12


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Dịch cháo được được đường hóa và làm nguội nhanh nên hạn chế được lão

hóa tinh bột.
− Do bay hơi ở áp suất chân không nên hơi nước sẽ kéo theo các chất như

ancol metylic, furfurol và tạo các, mùi lạ do nguyên liệu đưa vào nên nâng
cao được chất lượng sản phẩm.
− Do thời gian đường hóa ngắn nên giảm được kích thước thiết bị, nhà

xưởng đồng thời hạn chế mất hoạt tính amylase.
− Dễ cơ khí hóa và tự động hóa sản xuất, cho phép tăng năng suất lao động.
− Áp dụng đường hóa bằng làm lạnh chân không còn cho phép tăng hiệu

suất cồn, tiết kiệm điện.
 Nhược điểm: thiết bị bốc hơi và ngưng tụ ở độ cao 11-12m. Ngoài ra, còn đòi

hỏi phải có đội ngũ công nhân lành nghề về cơ khí và tự động hóa.

Hình 2.5: Sơ đồ đường hóa liên tục

 Quy trình đường hóa liên tục
− Cháo được chứa ở nồi nấu chín thêm liên tục được đưa vào thùng đường hóa

lần 1.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 13


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Khoảng 30% dịch amylase từ thùng chứa qua bộ phận phân phối đi vào

thùng đường hóa lần 1 ở T=600C
− Ra khỏi thùng đường hóa lần 1, dịch đường được bổ sung 70% chế phẩm

amylase từ thùng chứa.
− Sau đó qua bơm đi vào thiết bị đường hóa lần 2.
− Đường hóa xong, một phần dịch đường đưa vào phân xưởng lên men, 90%

còn lại tiếp tục qua thiết bị làm lạnh kiểu “ống lồng ống”, rồi cho vào
thùng lên men.
b. Đường hóa gián đoạn
Được thực hiện trong một thiết bị gọi là thùng đường hóa. Thùng này có cấu tạo
tương tự như thùng đường hóa liên tục lần 1.
Phương pháp này có 3 cách thực hiện:
 Cách 1:
− Cho 13-15% dịch amylaza của một mẻ vào, khuấy đều, mở nước làm lạnh
− Cho cháo vào từ từ với tốc độ sao cho khi hết cháo T=600C

− Sau đó cho hết dịch amylaza vào
− Ngừng khuấy, đóng van làm lạnh (amylaza chuyển hóa tinh bột thành

đường).
− Tiếp theo cho cánh khuấy làm việc, mở nước làm lạnh tới T= 28-30 0C sau

đó bơm vào hệ thống lên men.
• Ưu điểm: cháo được dịch hóa.
• Nhược điểm:
 Thời gian kéo dài, làm mất hoạt tính của amylaza.
 Giảm năng suất của thiết bị.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 14


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
 Cách 2:
− Cho toàn bộ amylaza, bật cánh khuấy và mở nước làm lạnh cho cháo vào

với tốc độ nhanh hơn nhưng T= 57-580C.
− Khi cho hết cháo vào ngừng khuấy, đóng van làm lạnh và để yên (amylaza

chuyển hóa tinh bột thành đường).
− Bật cánh khuấy, mở hệ thống làm lạnh đén 28-300C rồi bơm sang hệ thống lên

men.
• Ưu điểm: dịch cháo được làm loãng nhanh cho nên tránh sự lão hóa của tinh

bột.
• Nhược điểm:
 Hoạt tính của amylaza bị mất nhiều.
 Tốn nhiều thời gian theo dõi nhiệt độ.
 Cách 3:
− Cho toàn bộ dịch cháo vào.
− Bật cánh khuấy, mở nước làm lạnh đến 700C.
− Cho Fluosilicat natri 2% vào để sát trùng.
− Cho 5-10% amylaza vào để dịch hóa, làm lạnh đến 600C.
− Cho nốt 90-95% amylaza vào.
− Làm lạnh đến nhiệt độ lên men rồi bơm sang hệ thống lên men.
• Ưu điểm: hoạt động của enzim giảm không đáng kể
• Nhược điểm:
 Tinh bột bị lão hóa nhiều, dịch đặc, độ nhớt cao làm ảnh hưởng đến tốc

độ cánh khuấy.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 15


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
 Một phần hoạt tính của amylaza giảm.

2.3.4. Lên men
Ethanol là một trong số các sản phẩm lên men phổ biến nhất gặp ở vi sinh vật. Vi
sinh vật sản sinh ethanol chủ yếu là nấm men, đặc biệt, các chủng thuộc loài
Saccharomyces cerevisiae. Giống như đa số nấm, nấm men là những cơ thể hô hấp hiếu
khí, nhưng khi vắng mặt không khí chúng sẽ lên men hiđrat cacbon thành ethanol và

CO2.
Dịch đường lên men không chỉ là môi trường dinh dưỡng tốt cho nấm men mà các
vi sinh vật khác như: vi khuẩn lactic, vi khuẩn acetic...Các vi sinh vật này nếu lẫn vào dịch
đường chúng sẽ biến đường thành các sản phẩm khác, do đó, làm ảnh hưởng đến hiệu suất
của lên men.
a. Chuẩn bị men giống
Nhân giống trong sản xuất thì người ta áp dụng chủ yếu 3 cách sau:
− Phương pháp gián đoạn
− Phương pháp liên tục
− Phương pháp bán liên tục.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 16


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

 Quy trình nuôi cấy:
− Dịch đường hóa được cho vào thùng đường hóa thêm, sau đó duy trì

đường hóa tiếp 1-2 giờ nữa.
− Dùng H2SO4 điều chỉnh pH đến 3.8-4.0
− Làm lạnh dịch xuống 300C rồi đưa xuống hai thùng nhân giống nấm men.

Nấm men từ thùng men giống được tháo xuống hai thùng này. Tại đây nấm
men sẽ phát triển gián đoạn trong 15-18 giờ.
− Trong quá trình phát triển, nhiệt độ được điều chỉnh bằng cách dội nước

lạnh bên ngoài thùng.

− Song song với việc nấm men phát triển trong thùng nhân giống nấm men,
Hình 2.6: Sơ đồ nuôi cấy men giống bán liên tục

tại thùng đường hóa thêm, tiếp tục cho dịch đường hóa vào và xử lí tiếp.
− Sau 15-18 giờ cho dịch đường ở thùng đường hóa thêm xuống thùng nhân

giống nấm men, rồi trộn đều.
− Đề nấm men phát triển trong vòng 5-8 giờ nữa, tháo 50% lượng men ở hai

thùng nhân giống nấm men vào thùng lên men.
b. Lên men
Trong công đoạn này cũng có 3 phương pháp chính đó là:
− Lên men gián đoạn.
− Lên men liên tục.
− Lên men bán liên tục.

Chúng ta tìm hiểu phương pháp lên men liên tục:

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 17


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
 Đặc điểm:dịch đường và men giống được cho vào thùng đầu – gọi là thùng lên

men chính. Khi đầy thùng đầu thì dịch lên men sẽ chảy tiếp sang thùng bên
cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chính.

Hình 2.7: Sơ đồ lên men bán liên tục

 Quy trình lên men:

Giai đoạn 1:
− Chuẩn bị men giống ở hai thùng lên men cấp 1(thùng A và B).
− Khi đạt yêu cầu tháo giống ở thùng A xuống thùng cấp 2 sau đó vệ sinh thùng A.
− Tiếp tục lên men thùng A bằng cách lấy 25-30% men giống ở thùng B trộn tiếp

với dịch đường.
− Lượng men còn lại ở thùng B cho xuống thùng lên men cấp 2 sau đó vệ sinh

thùng B.
− Tiếp tục lên men thùng B bằng cách lấy 25-30% men giống ở thùng A trộn tiếp

với dịch đường.
− Lượng men còn lại từ thùng A cho xuống thùng cấp 2.
− Lặp lại quy trình.

Giai đoạn 2:

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 18


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Tại thùng lên men cấp 2cho đầy dịch đường, acid hóa để lên men được 5-6%.
− Sau đó tháo xuống thùng lên men chính.

Giai đoạn 3:

− Tại thùng lên men chính thứ nhất, khi nào trào đầy sẽ được tràn sang thùng thứ

2.
− Số lượng tế bào ở thùng lên men chính được khống chế nằm trong khoảng

100-120 triệu/ml.
Thùng lên men 1 được giữu ở T=25-270C, thùng 2và 3 T= 27-300C. Quy trình này
kết thúc sau 60-62 giờ.
2.3.5. Chưng cất và tinh chê
Hỗn hợp thu được sau lên men gọi là giấm chín. Trong giấm chín có rất nhiều thành
phần nhưng chủ yếu là ethanol. Ngoài ra còn có este, aldehyd, tinh bột, acid hữu cơ,
khoáng…
Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín. Kết
quả ta nhận được là cồn thô.
Tinh chế là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn.
Sản phẩm thu được có nồng độ 95-96%.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 19


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Hình 2.8: Sơ đồ chưng luyện bán liên tục

 Quy trình sản xuất:
− Lên men xong giấm chín được đưa vào thùng cất thô. Vì làm việc gián

đoạn nên phải bố trí hai thùng song song nhưng làm việc so le để ổn định

phần nào nồng độ cồn thô trước khi vào tháp tinh chế.
− Thùng cất thô được đun trực tiếp bằng hơi nước. Hơi cồn bay lên được

ngưng tụ ở thùng ngưng tụ rồi vào thùng tạm chứa, tiếp đó đi vào tháp tinh
chế.
− Tháp tinh chế cũng được đun bằng hơi nước trực tiếp. Nhiệt độ đáy tháp

bằng 103-1050C. Hơi cồn bay lên được tăng dần nồng độ, phần lớn được
ngưng tụ ở bình ngưng tụ rồi hồi lưu trở lại tháp sau đó được làm lạnh để
sản phẩm ở dạng cồn lỏng.
− Một phần nhỏ chưa kịp ngưng tụ còn chứa nhiều tạp chất được đưa sang

bình ngưng tụ còn lại và được lấy ra ở dạng cồn đầu.
2.3.6. Tinh luyện
Sau quá trình tinh chế thì cồn chỉ mới đạt nồng độ tối đa là 96% mà muốn dùng

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 20


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

cồn để pha với xăng thì cồn phải có nồng độ > 99% do dó ta phải tinh luyện.
Để thu được sản phẩm là cồn có nồng độ cao trên thế giới hiện nay đã sử dụng
nhiều phương pháp tách nước từ cồn công nghiệp, cụ thể có thể liệt kê các phương
pháp điển hình như sau:
− Phương pháp chưng cất:
o Phương pháp chưng đẳng phí
o Phương pháp chưng phân tử

− Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite.
− Phương pháp dùng các chất hút ẩm.
− Phương pháp thẩm thấu qua màng.
− Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và dây phân tử.

Trong phần này, chúng em lựa chọn phương pháp chất hấp phụ chọn lọc Zeolite.
a. Zeolite
Khái niệm: là các Aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ
thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Hệ thống mao quản (pore) này cókích cỡ phân tử,
cho phép chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thước. Vì vậy zeolite còn được
gọi là chất rây phân tử.
Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn như sau:
Me2/nO.xAl2O3.ySiO2.zH2O
Trong đó:
o M+: là cation bù trừ điện tích khung.
o z: là số phân tử nước kết tinh trong zeolite.

Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là các tứ diện TO4, với T là Al hoặc Si.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 21


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

Phân loại Zeolite:
o Phân loại theo kích thước mao quản
 Zeolite có mao quản rộng: Dmq> 8 Ao
 Zeolite có mao quản trung bình: Dmq = 5 ÷ 8 Ao

 Zeolite có mao quản nhỏ: Dmq< 5 Ao

Trong đó: Dmqlà đường kính mao
quản.
o Phân loại theo tỷ lệ Si/Al: Cách phân loại này cho ta biết biến đổi

tính chất của zeolite.
 Loại giàu Al: Theo quy tắc của Lowenstein thì hàm lượng Si trong

zeolite luôn lớn hơn Al, có nghĩa là tỉ lệ Si/Al luôn lớn hơn bằng 1.
Trong loại giàu Al thì tỉ lệ này bằng 1,1 ÷ 1,2. Mao quản của zeolite này
tương đối lớn.
 Loại có hàm lượng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữ Si/Al từ

1,2 ÷ 2,5.
 Loại giàu Si: Loại này có tỷ lệ Si/Al > 2,5 tương đối bền nhiệt nên được

sử dụng nhiều trong quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt.
− Zeolite A:

Là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc dưới dạng lập phương đơn giản tương
tự như kiểu liên kết trong tinh thể NaCl, với các nút mạng lưới là cácbát diện cụt.
Đối với zeolite A tỷ lệ Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và Al trong mỗi đơn vị
Sodalit bằng nhau. Vì vậy, với mỗi bát diện cụt được tạo bởi 24 tứ diện có 48
nguyên tử Oxy làm cầu nối, vậy còn dư 12 điện tích âm. Để trung hòa 12 điện

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 22

Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới

tích âm này ta phải có 12 cation hóa trị 1 hoặc 6 cation hóa trị 2.
Trong trường hợp của zeolite A là 12 ion K+ hoặc 6 cation Ca2+.
o Đặc tính kỹ thuật của zeolite 3A:
 Là loại zeolite giàu nhôm, tỷ lệ Si/Al thấp.
 Cation bù trừ điện tích K+: K12[(AlO2)12.(SiO2)12]
 Kích thước mao quản: 3 Ao.

a. Quá trình hấp phụ
Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực
bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút được gọi làchất bị
hấp phụ.
 Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ:
− Có bề mặt riêng lớn.
− Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhưng

cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc.
− Có thể hoàn nguyên dễ dàng.
− Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc.
− Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập.

a. Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc
 Nguyên tắc của phương pháp:
− Dựa vào kích thước mao quản của zeolite 3A chất hấp phụ này có thể

hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản
và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn hơn.
Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 23


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Khi sử dụng zeolite 3A để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là

chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và etanol có nồng độ
thấp hơn.
− Kích thước động học của nước là 2,75 Å< 3 Å.
− Kích thước động học của rượu là 3,95 Å> 3 Å.

Như vậy: zeolite 3A hấp phụ nước nhưng không hấp phụ rượu etanol.
 Quá trình hấp phụ có thể thực hiện theo hai dạng:
− Hấp phụ lỏng – rắn.
− Hấp phụ khí – rắn.
 Nguyên tắc:

Sơ đồ làm việc với 3 tháp làm việc song song, tháp 1 thực hiện quá trình
hấp phụ, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp, tháp 3 thực hiện quá trình làm mát.
Với sơ đồ trên ta có nguyên tắc làm việc cụ thể của từng tháp như sau:
− Tháp hấp phụ: hơi cồn ở 107 oC được bơm lên đỉnh tháp hấp phụ nhờ bơm

thổi khí kiểu hai cánh guồng, hơi cồn đi sâu vào trong và xuống dưới lớp
zeolite 3Ao và bị hấp phụ vào trong lớp vật liệu. Do có tín hiệu của
dòng(FC) nguyên liệu và dòng sản phẩm các van dẫn khí nhả và khí làm
mát sẽ được đóng lại. Hơi cồn đi ra ở đáy tháp và được qua thiết bị lọc bụi
zeolitesau đó được chuyển sang thiết bị ngưng tụ cồn sản phẩm.tất cả lớp
hấp phụ đã đạt tới trạng thái bão hoà nồng độ cồn sản phẩm ở đầu ra giảm
van cồn đầu vào sẽ tự động đóng nhờ bộ điều khiển tự động (W RC). Khi

mất tín hiệu nhiệt độ ở (TC) thì van dẫn khí làm mát sẽ tự động mở và thực
hiện quá trình làm mát.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 24


Báo cáo môn học Ô tô sử dụng năng lượng mới
− Tháp làm mát: khi có tín hiệu dòng khí làm mát các van dẫn hơi cồn sản

phẩm, cồn nguyên liệu, khí nhả hấp sẽ tự động đóng lại. Quá trình làmmát
sẽ kết thúc khi tín hiệu nhiệt độ (TC) đầu ra của dòng khí làm mát giảm
dưới mức cho phép van dẫn khí làm mát sẽ tự động đóng lại. Tín hiệu dòng
khí làm mát mất ở (FC) thì van dẫn khí nhả hấp sẽ tự động mở và thực hiện
quá trình nhả hấp.
− Tháp nhả hấp phụ: quá trình nhả hấp được thực hiện ở nhiệt độ 350 oC.

Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình này được lấy từ calorifier hơi nước với
bộ chuyển tín hiệu nhiệt độ (χc) dòng N2 đi vào tháp nhả. tốc độ dòng hơi
đi vào calorifier sẽ được khống chế nhờ một van tự động. Quá trình nhả hấp
phụ sẽ được kết thúc khi có sự thay đổi lớn về khối lượng riêng của dòng
hơi khi nhả thông qua (WRC) ở đầu ra của dòng khí nhả hấp, các van đầu
vào và ra dòng khí nhả sẽ tự động đóng lại kết thúc quá trình nhả hấp phụ.
− Để tận dụng nhiệt cho toàn bộ quá trình làm việc, dòng khí nitơ được xả ra

từ bình nén khí và đi vào tháp thực hiện quá trình làm mát. Dòng khí nitơ ra
tiếp tục được trao đổi nhiệt với hơi, khí nhả có nhiệt độ cao thông qua thiết
bị tận dụng nhiệt khí – khí dạng tấm.
− Hơi cồn sau khi nhả được ngưng tụ qua thiết bị ngưng tụ. Khí Nitơ được

nén trở lại bình chứa. Cồn lỏng có nồng độ thấp sẽ được hồi lưu quay lại
tháp chưng tách cồn công nghiệp.
− Kết thúc quá trình này cồn đạt nồng độ 99.5% và được đem đi tiêu thụ.

2.4. Khả năng ứng dụng nhiên liệu cồn
2.4.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu cồn ở các nước trên thê giới
Brazil là nước có bước đi đầu tiên với chương trình Ethanol quốc gia năm
1973, sử dụng ethanol được sản xuất từ mật gỉ để pha vào xăng dùng làm nhiên
Nghiên cứu ứng dụng động cơ sử dụng nhiên liệu cồn

Page 25