HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HÀ NỘI KHOA DẦU KHÍ BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU BÀI TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ VẤN ĐÊ: NHIÊN LIỆU DẦU MỎ VÀ VẤN ĐỀ MÔI TRƢỜNG. SINH VIÊN: LÊ VĂN BẮC MSSV: 0964040006 LỚP: ĐH LHD K54TH GVGD: NGÔ HÀ SƠN HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 2 MỤC LỤC I. Tổng quan 3 II. Giới thiệu về DME. 3 II.1. Tính chất vật lý và hóa học. 4 II.1.1. Tính chất vật lý 4 II.1.2. Tính chất hóa học. 6 III. Công nghệ tổng hợp DME. 6 III.1. Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME: 6 III.2. Quy trình sản xuất DME: 6 III.2.1. Cơ sở lý thuyết. 6 III.2.2. Phƣơng pháp tổng hợp DME: 7 Ngƣời ta đƣa ra hai cách: 7 III.2.3. Quy trình công nghệ. 8 III.2.4. Xúc tác sử dụng. 8 IV. Đặc điểm của động cơ sử dụng DME 9 V. Đánh giá DME. 9 V.1.1. Trong vấn đề kỹ thuật: 9 V.1.2. Vấn đề về môi trƣờng 10 V.1.3. Tính kinh tế 11 V.2. Nhƣợc điểm: 11 VI. Tổng kết. 11 VII. Tài liệu tham khảo. 12 HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 3 I. Tổng quan Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bƣớc ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài ngƣời. Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lƣợng nói riêng. Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ƣu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình sử dụng dầu mỏ gây ra, ngoài việc thải ra một lƣợng lớn khổng lồ khí CO 2 gây hiệu ứng nhà kính, quá trình cháy nhiên liệu còn tạo ra một lƣợng lớn các hợp chất độc hại nhƣ khí CO, SO 2 , NO x gây mƣa axit, cũng nhƣ một lớn bụi gây ô nhiễm môi trƣờng. Ngƣời ta ƣớc tính, khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lƣợng khí thải trên toàn thế giới. Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trƣờng. Qua nghiên cứu các điều kiện hình thành các chất ô nhiễm trong khói thải động cơ từ đó ngƣời ta đƣa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm này. Một cách tổng quát thì các giải pháp này đƣợc chia thành ba hƣớng nhƣ sau: - Cải thiện động cơ và tối ƣu hoá quá trình cháy. - Cải thiện nhiên liệu bằng, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế. - Xử lý chất ô nhiễm trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Trong bài tiểu luận này chúng ta đề cập đến hƣớng cải thiện nhiên liệu bằng sử dụng nhiên liệu thay thế. Nhiên liệu thay thế đó là “ Dimethyl ether (DME) „‟. DME là một nhiên liệu đầy hứa hẹn trong các động cơ diesel, động cơ xăng (30% DME / 70% LPG). Sự đơn giản của hợp chất này là chuỗi mạch carbon ngắn nên trong quá trình đốt cháy lƣợng khí thải thải ra có chứa các hạt vật chất, hàm lƣợng khí NO x và CO thấp. Hàm lƣợng hợp chất lƣu huỳnh trong khí thải cũng thấp. Đối với những lý do này DME đáp ứng đƣợc các quy định khí thải nghiêm ngặt nhất ở Châu Âu ( EURO5 ), Hoa Kỳ (2010 Hòa Kỳ), Nhật Bản (2009 Nhật Bản). Mobil đang sử dụng DME trong methanol của họ để chế biến xăng. DME đang đƣợc phát triển để tổng hợp nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai (BioDME), mà có thể đƣợc sản xuất từ sinh khối chứa lignocellulosic. Hiện tại, EU đang xem xét BioDME trong hỗn hợp nhiên liệu sinh học tiềm năng của nó vào năm 2030. Vì vậy mà chúng tôi chọn đề tài: “ DME – nguồn nhiên liệu thay thế xăng dầu diesel”. II. Giới thiệu về DME. Dimethyl ether (CH 3 OCH 3 ) còn đƣợc biết dƣới tên methoxymethane, oxybismethane, methyl ether, ether gỗ hay DME. Dimethyl Ether (DME) là một hợp chất ether có một cấu trúc phân tử, trong đó một nguyên tử oxy và hai nhóm methyl ngoại quan. HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 4 Nhiên liệu dimethyl ether (DME) là một chất đốt sạch dùng để thay thế khí đốt dầu lửa hoá lỏng, khí đốt thiên nhiên hoá lỏng, dầu diesel và xăng dầu. Nhiên liệu này đƣợc sản xuất từ khí đốt thiên nhiên, than đá hoặc từ các chất hữu cơ. II.1. Tính chất vật lý và hóa học. II.1.1. Tính chất vật lý Công thức cấu tạo phân tử của DME Dimethyl ether (DME) có nhiệt độ sôi -25,1 o C, nên trong điều kiện thƣờng nó tồn tại dƣới dạng khí, nhƣng dễ đƣợc hóa lỏng. Áp suất hóa lỏng của nó ở 20 o C là 0,5 MPa, còn ở 38 o C là 0,6 MPa. Nó là một chất khí không màu và có thể sản xuất chế biến thành một loại khí gas hoá lỏng. Bảng so sánh tính chất vật lý của DME và một số nhiên liệu khác nhƣ Khí nén tự nhiên (CNG), khí Dầu khí hóa lỏng (LPG) và Diesel trong Bảng-16. Hình 2 & 3 cho thấy so sánh việc phát sinh khí thải CO2 và mật độ năng lƣợng của nhiên liệu tƣơng ứng. HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 5 Dựa vào các số liệu trên ta thấy DME có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu khác (methan, propan, methanol, gas oil), là nguồn nguyên liệu có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235 o C so với 250 o C) nên nhiên liệu DME đang là nguồn nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng nhất hiện nay. Bàng so sánh một số chỉ tiêu giữa DME và dầu diezel HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 6 II.1.2. Tính chất hóa học. Và tính chất hoá học đặc trƣng nhất của Dimethyl eter là chất trung tính, trơ về mặt hoá học tƣơng tự alkane nên DME đƣợc coi là nguồn nhiên liệu sạch. III. Công nghệ tổng hợp DME. III.1. Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME: Khí tự nhiên, dầu mỏ, than đá hoặc chất hữu cơ vi sinh, than bùn, chất thải lâm nghiệp nhƣ cành, ngọn và gốc cây tạp thừa thải trong rừng, nguyên liệu sinh khối, khí thải công nghiệp, dầu nặng phế thải, khí metane tận thu từ các quá trình xử lý chất thải…thông qua quá trình khí hóa. Những năm gần đây, tổng DME có xu hƣớng đi từ hỗn hợp khí gồm có CO, H 2 . III.2. Quy trình sản xuất DME: III.2.1. Cơ sở lý thuyết. Quá trình tổng hợp DME theo phƣơng trình phản ứng sau: 3CO + 3H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 + 246.0kJ/mol DME Phản ứng này theo 3 bƣớc: Bƣớc 1: tổng hợp CH 3 OH, dựa vào phản ứng sau: 2CO + 4H 2 2CH 3 OH + 181.6kJ/mol DME Bƣớc 2: quá trình hydrat hóa nhờ vào phản ứng: 2CH 3 OH CH 3 OCH 3 + H 2 O + 23.4kJ/mol DME Bƣớc 3: khử bỏ H 2 O nhờ phản ứng sau: CO + H 2 O CO 2 + H 2 + 41.0kJ/mol DME Khi tạo thành khí CO 2 các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã đƣa ra một chu trình kín. Với sự kết hợp khí tự nhiện và khí CH 4 sinh ra khí CO và H 2. Phản ứng đƣợc đƣa ra: 2CH 4 + O 2 + CO 2 3CO + 3H 2 + H 2 O Và khí CO và H 2 đƣợc tạo thành sẽ tiếp tục phản ứng nhờ vào các phản ứng 2CO + 4H 2 CH 3 OCH 3 + H 2 O + 205.0kJ/DME-mol HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 7 2CO + 4H2 2CH3OH + 181.6kJ/DME-mol Và cho trực tiếp ra DME trở lại với phản ứng ban đầu tạo thành một chu trình khép kín. 3CO + 3H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 + 246.0kJ/DME-mol Dựa vào động học của phản ứng, thì tất cả các phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt. Vì vậy nhiệt độ phản ứng tăng và làm tăng quá trình tổng hợp CH 3 OH. Điều kiện tổng hợp DME nhiệt độ 210 – 290 o C, áp suất: 3 – 10 MPa, và chất xúc tác thích hợp cho quá trình tổng hợp methanol và dehyro hóa Để phản ứng thuận lợi nhất và chi phí thấp. Ngƣời ta tính toán rằng: dựa vào tỷ lệ giữa H 2 /CO bằng 1 thuận lợi hơn tỷ lệ giữa H 2 /CO bằng 2. Và họ còn kết hợp vào xúc tác nhằm tạo DME hiệu suất cao. III.2.2. Phƣơng pháp tổng hợp DME: Ngƣời ta đƣa ra hai cách: Cách 1: đi trực tiếp (tổng hợp ngay DME). Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng nhiều hiện nay. Cách 2: Qua quá trình tổng hợp CH 3 OH. Sau đó mới tổng hợp ra DME. Phản ứng gián tiếp qua một phản ứng nữa là dehydrate. Trƣớc tiên, methanol đƣợc gia nhiệt lên tới nhiệt độ 250 o C bằng hệ thống trao đổi nhiệt rồi mới đƣa vào lò phản ứng. Phản ứng phát nhiệt xảy ra trong lò và DME hình thành. Các sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 365 o C trƣớc khi rời khỏi lò. Sau khi làm nguội, DME đƣợc tách khỏi nƣớc, methanol và các thành phần khác. Sản phẩm cuối đƣợc tinh chế. Ngƣời ta thƣờng kết hợp sản xuất methanol và DME trong cùng một quá trình. Lò reforming tổng hợp DME Khí tự nhiên Lò reforming Tổng hợp Methanol Tổng hợp DME Khí tự nhiên HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 8 III.2.3. Quy trình công nghệ. Những hình ảnh dƣới đây minh họa một số các quy trình từ nguyên vật liệu khác nhau để DME. III.2.4. Xúc tác sử dụng. Chất xúc tác đƣợc lựa chọn là Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5, lắng đọng bằng phƣơng pháp đồng kết tủa với sản xuất thành phần để tổng hợp methanol là Cu-ZnO-Al2O3, và cho methanol mất nƣớc là HZSM-5. Hình 1 thể hiện hoạt tính của Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5 ở nhiệt độ khác nhau trong một lò phản tầng cố định trong phòng thí nghiệm. Tỷ lệ tối ƣu của hai thành phần là khoảng 5,0 cho Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5 chất xúc tác. HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 9 IV. Đặc điểm của động cơ sử dụng DME DME thích hợp với động cơ diesel do nhiệt độ đánh lửa thấp và chỉ số cetane hợp lý. DME không trộn lẫn với diesel nhƣng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ diesel là có thể sử dụng đƣợc DME. Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ thƣờng nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng. Điều này cũng có nghĩa là trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất (lƣu ý là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải đƣợc nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar, để tránh chúng bị tạo thành hơi) Chỉ số cetane của DME cao hơn diesel dầu mỏ nên thời gian đánh lửa ngắn hơn và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel. Đây cũng là một ƣu thế của DME. Ngoài ra, động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn. Nhƣợc điểm ở nhiên liệu này là nhiệt lƣợng thấp hơn diesel. V. Đánh giá DME. V.1.1. Trong vấn đề kỹ thuật: DME có thể chuyển từ khí thành lỏng (do nhiệt độ sôi -25,1 o C). Nó ít gây độc hại và độ an toàn cao. DME là năng lƣợng sạch có giá trị trung bình, sản xuất từ khí tự nhiên, khí methane, khí tổng hợp sản xuất bởi các loại khí của carbon… Với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, DME có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235 o C so với 250 o C). Nên thời gian đánh lửa ngắn hơn và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel, không tạo ra khói. Theo đánh giá của các chuyên gia, khi sử dụng DME làm nhiên liệu, các phƣơng tiện giao thông vận tải không gặp trở HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 10 ngại về nguyên tắc nào. Theo các nhà nghiên cứu Nhật Bản, thì khi sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ tuốc-bin khí, thì hiệu quả kinh tế lớn hơn so với sử dụng khí nén. Ngoài ra động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn. Từ DME có thể thu đƣợc xăng chất lƣợng cao qua hai phản ứng là dehydate hóa thành etylen và tiếp theo là olygome hóa etylen thành hydrocarbon lỏng, tức là xăng. Theo các nhà nghiên cứu Nga, quá trình đó có thể xảy ra trong một thiết bị phản ứng, hay hai thiết bị phản ứng nối tiếp nhau. Xăng thu đƣợc theo con đƣờng đó có chất lƣợng rất tốt: Chỉ số octan 92 – 93 Hàm lƣợng benzen 0,04% Hàm lƣợng isoparafin 70% Hydrocarbon không no 1% Không có đurol và isođurol. V.1.2. Vấn đề về môi trƣờng DME là nguồn nhiên liệu sạch, nó không thải ra khí SO x , khi đốt cháy giảm thiểu ảnh hƣởng của môi trƣờng. Các tính chất lý học của DME khá giống với LPG. DME là chất khí ở nhiệt độ và áp suất không khí, nhƣng ở 20 o C và áp suất 5 bar, nó là chất lỏng. Điểm sôi ở áp suất thƣờng là -25 o C. DME có thể trộn với nhiều dung môi hữu cơ và hòa tan tốt trong nƣớc. DME rất sạch, không chứa lƣu huỳnh, nitơ và kim loại nặng. DME an toàn hơn methanol, cháy với ngọn lửa có thể nhìn thấy và đặc biệt là chúng ít độc. Khí thải từ động cơ dùng DME không gây ô nhiễm môi trƣờng, không có muội than, hàm lƣợng nitơ oxit thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép. Nói chung, khí thải từ đốt cháy DME không đòi hỏi làm sạch. Sử dụng DME trong đun nấu chỉ thải ra lƣợng khí CO 2 chƣa bằng 40% so với đốt than trực tiếp. Sản xuất DME còn giúp giảm bớt hiện tƣợng ấm lên trên toàn cầu do không tạo ra khí CO 2 đen, nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính cao gấp 2-3 lần so với CO 2 . Thực tế cho thấy thay thế than bằng nhiên liệu sạch trong đun nấu và làm nóng có lợi cho sức khỏe con ngƣời, quy trình DME ít tiêu tốn năng lƣợng và tạo ra sản phẩm DME, là loại nhiên liệu đặc biệt đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới. Quá trình chuyển hóa nƣớc đen và than thành DME tạo ra ít phát thải CO 2 vào khí quyển so với chỉ sử dụng than để sản xuất nhiên liệu . Một phần carbon từ các nguồn này còn nằm ở dạng rắn [...]... dự kiến trong tƣơng lai DME sẽ là nguồn nhiên liệu chính yếu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm và ngày dần càng cạn kiệt 11 HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG Nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất DME vừa rẻ tiền, dễ tìm kiếm và rất phong phú DME là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng nó đƣợc tổng hợp từ than đá, khí tự nhiên, dầu nặng, phế thải, khí methane… thu đƣợc... HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG sẽ không gây ra nóng lên toàn cầu Một lý do nữa khiến chúng ta đồng xử lý than và dịch đen chính là kéo dài thời gian tồn tại nguồn nhiên liêu dự trữ V.1.3 Tính kinh tế Có thể giữ bình ổn và hạ thấp giá thành các nhiên liệu truyền thống Các chuyên gia thị trƣờng tiêu thụ nhiên liệu cho biết nhiên liệu dimethylether (DME) có thể sản xuất dùng thay thế dầu diesel... ở nhiên liệu DME là nhiệt lƣợng thấp hơn diesel VI Tổng kết Để giải quyết những vấn đề cấp bách về môi trƣờng hiện nay, nhiều nƣớc trên thế giới đã tìm ra những nguồn nhiên liệu mới để thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống: nguồn nhiên liệu sinh học, năng lƣợng tái tạo, năng lƣợng hạt nhân… Khi nghiên cứu và tìm hiểu về Dimethyl ether chúng tôi nghĩ rằng DME là nguồn nhiên liệu mới khả thi nhất và. .. quan trọng nhất là nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất DME rất phong phú, có thể từ khí tự nhiên, dầu nặng phế thải hoặc khí metan tận thu từ quá trình xử lý chất thải, v.v… Từ năm XIX95, DME đƣợc xem là nhiên liệu diesel sạch và đƣợc khẳng định là nhiên liệu của thế kỷ XXI” V.2 Nhƣợc điểm: Hạn chế của dạng nhiên liệu mới này là việc sử dụng nó phức tạp hơn so với xăng dầu DME không trộn lẫn với diesel... xử lý nƣớc thải giúp cải tạo môi trƣờng Về những đặc tính vật lý, hóa học thì so với nhiên liệu dieseltừ dầu mỏ, DME có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) Khi cháy, DME không tạo ra khói So với xăng dầu truyền thống thì DME giảm đƣợc lƣợng khí carbonic, và nitơ oxít phát thải, không gây ô nhiễm lƣu huỳnh oxít Tuy nhiên ở Việt nam cũng đã tiến... xuất dùng thay thế dầu diesel và có thể giữ đƣơc giá dầu thô trên thế giới ở mức trên 40 đô la Mỹ/thùng Trong khi giá dầu thô hiện tại trên thế giới khoảng trên 70 đô la Mỹ/thùng, tăng gần gấp ba lần so với năm 2002 Theo số liệu của JFE thì với quy mô sản xuất 100 tấn/ ngày, giá thành DME tính theo đơn vị năng lƣợng cũng chỉ tƣơng đƣơng so với gas hóa lỏng LNG và thấp hơn dầu diesel, gas LPG Song điều... DME không trộn lẫn với diesel nhƣng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ diesel là có thể sử dụng đƣợc DME Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ thƣờng nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng Điều này cũng có nghĩa là trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất Cần lƣu ý là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải đƣợc nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar, để tránh... thì DME giảm đƣợc lƣợng khí carbonic, và nitơ oxít phát thải, không gây ô nhiễm lƣu huỳnh oxít Tuy nhiên ở Việt nam cũng đã tiến hành nghiên cứu ,tổng hợp nguồn nhiên liệu mới này trong những năm gần đây.Nhƣng chƣa đƣợc thử nghiệm VII Tài liệu tham khảo .Guo, J.W., Niu, Y.Q., Zhang, B.J., 2000 Macrokinetics study on DME synthesis from syngas in slurry reactor Natural Gas Chemical Industry 25(4–7) (in . HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HÀ NỘI KHOA DẦU KHÍ BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU BÀI TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ VẤN ĐÊ: NHIÊN. VẤN ĐÊ: NHIÊN LIỆU DẦU MỎ VÀ VẤN ĐỀ MÔI TRƢỜNG. SINH VIÊN: LÊ VĂN BẮC MSSV: 0964040006 LỚP: ĐH LHD K54TH GVGD: NGÔ HÀ SƠN HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG . Trong vấn đề kỹ thuật: 9 V.1.2. Vấn đề về môi trƣờng 10 V.1.3. Tính kinh tế 11 V.2. Nhƣợc điểm: 11 VI. Tổng kết. 11 VII. Tài liệu tham khảo. 12 HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƢỜNG