تحقیق کارگاه اصول اندازه‌گیری کاهش آلودگی زیست محیطی با کاربرد الکل در سوخت خودرو
کاهش آلودگی زیست محیطی با کاربرد الکل در سوخت خودرو
چکیده:
طرح تولید الکل با توجه به کاربردهای وسیع الکل به عنوان ماده اولیه صنایع شیمیایی و امکان استفاده از آن در صنایع نفت به عنوان ماده افزودنی به سوخت مصرفی کشور و همچنین جایگزین مناسب برای تترااتیل سرب مورد استفاده در بنزین مورد توجه قرار گرفته دارد. اتانول به عنوان یکی از مواد اکسیژن به بالابرنده عدد اکتان بنزین موتور و جایگزین ماده افزودنی تترااتیل سرب در دنیا مطرح شده است. پس از بحران انرژی در سال 1973 و توجه بیشتر دنیا به تامین منابع انرژی، این توجه جهانی بطور مضاعف افزایش یافته است.
تاکنون بسیاری از کشورهای پیشرفته و در حال رشد پژوهش‌هایی را در مورد کاربرد الکل‌ها به عنوان سوخت خودروها به انجام رسانیده‌‌اند. نتایج بدست آمده ر این زمینه نشان می‌دهد که الکل‌ها و اترها با داشتن عدد اکتان بالا می‌توانند به عنوان جانشین برای تترااتیل سرب موجود در بنزین موتور خودروها مطرح باشند.
آلودگی پایینتر از حد استاندارد ناشی از احتراق الکل نیز عامل موثری در توجه به این سوخت میباشد. تحقیقات کاربردی در مورد مخلوط‌های اتانول و بنزین در کشورهای آمریکا، ژاپن، هلند، بلژیک، سوییس و اتریش صورت پذیرفته است و هنوز هم ادامه دارد.
مقدمه
احتراق
در یک موتور متعارف بنزینی، سوخت و هوا در یک سیستم ورودی مخلوط می‌گردند و از طریق سوپاپ ورودی وارد سیلندر می‌شوند. در سیلندر اختلاط با گاز باقیمانده صورت گرفته و سپس این مخلوط متراکم میشود. تحت شرایط معمولی کارکرد، احتراق در انتهای مرحله تراکم و در اطراف شمع بوسیله جرقه الکتریکی آغاز میشود.
در احتراق عادی شعله ایجاد شده توسط جرقه، به آرامی در محفظه احتراق حرکت کرده، تا مخلوط سوخت و هوا کاملاً مصرف شود. عوامل متعددی مانند ترکیب سوخت، بعضی پارامترهای خاص و طراحی و عملیاتی و رسوبات محفظه احتراق ممکن است از وقوع فرآیند عادی جلوگیری نمایند. دو نوع احتراق غیرعادی وجود دارد که عبارتند از: ضربه و افروزش سطحی.
ضربه مهمترین پدیده احتراق غیرعادی میباشد. نام آن از صدای حاصل از خوداشتغالی قسمتی از مخلوط سوخت، هوا و گاز باقیمانده جلوتر از شعله در حال پیشروی، ناشی میشود. همانطور که شعله در محفظه احتراق انتشار می‌یابد، مخلوط نسوخته جلوتر از آن موسوم به گاز پایانی فشرده شده و موجب افزایش فشار، دما و دانسیته آن میشود. در قسمتی از مخلوط سوخت و هوای گاز پایانی ممکن است قبل از احتراق عادی، فعل و انفعال شیمیایی رخ دهد.
محصولات حاصل از این فعل و انفعال ممکن است بعداً خودبخود مشتعل شوند، یعنی تمام یا قسمتی از انرژی خود را به سرعت آزاد نمایند. در این صورت گاز پایانی خیلی سریع سوخته و انرژی شیمیایی خود را خیلی سریع سوخته و انرژی شیمیایی خود را آزاد می‌کند. این امر موجب ایجاد صدای فلزی تیزی به نام ضربه میشود.
برای از بین بردن ضربه در موتورهای درونسوز از الکیل‌های سرب بخصوص تترااتیل سرب که یک ماده افزودنی ضدضربه‌ای بسیار موثر میباشد، استفاده می‌کند. ایجاد این ضربه در سوخت‌های مختلف متفاوت است.
جهت مشخص نمودن سوخت‌های مختلف از نقطه نظر ایجاد ضربه، درجه آرام‌سوزی یا عدد اکتان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
توضیح مقاله
عدد اکتان
کیفیت آرام‌سوزی بنزین را بر حسب عدد اکتان تعیین می‌کنند. برحسب تعریف، برای ایزواکتان (2-2-4 تری‌متیل‌پنتان) عدد اکتان 100 و برای نرمال هپتان عدد اکتان صفر منظور شده است. اگر سوختی با درصد معینی ایزواکتان و نرمال هپتان تهیه شود، بر حسب درصد موجود هر کدام در مخلوط، دارای عدد اکتانی بین صفر تا 100 خواهد بود.
امروزه مواد شیمیایی گوناگونی جهت جلوگیری از ایجاد ضربه و یا بالا بردن اکتان بنزین بکار می‌رود. تعدادی از این مواد عبارتند از: بنزین، الکل اتیلیک، ترکیبات آلی فلزی مثل کربونیل‌های آهن یا نیکل و بسیاری از آمین‌ها.
خواص مواد اکسیژنه
مواد اکسیژنه به ترکیباتی اطلاق می‌گردد که در ساختمان مولکولی آنها اتم اکسیژن بکار رفته است. امروزه دو نوع ماده اکسیژنه برای ترکیب با سوخت مصرفی (بنزین) مورد استفاده قرار می‌گیرد که عبارتند از الکل‌ها و اترها.
تمام ترکیبات اکسیژنه دارای عدد اکتان بالا و نقطه جوش قابل مقایسه با بنزین مصرفی می‌باشند: ترکیبات الکلی مقدار اکسیژن بیشتری نسبت به ترکیبات اتری دارند و اتم اکسیژن بیشتر باعث بهبود احتراق سوخت می‌گردد.
یکی از بزرگترین تفاوت‌ها بین الکل‌ها و اترها میزان حلالیت آنها در آب میباشد. الکل‌ها به مراتب بیشتر از اترها در آب حل می‌گردند و این به علت وجود اتم اکسیژن در ترکیب الکل میباشد که پیوند قطبی‌تری نسبت به پیوند اکسیژن موجود در اترها بوجود می‌آورد و حلالیت بیشتر در آب را موجب می‌گردد.
تاثیر اختلاط مواد اکسیژنه گوناگون روی خواص بنزین مصرفی
مواد اکسیژنه گوناگون تاثیرات مختلفی روی خواص بنزین می‌گذارند.
یکی از پارامترهای مهم و تاثیرگذار روی خواص بنزین مصرفی عدد اکتان مواد است. مقدار عدد اکتان هر ماده اکسیژنه که به عنوان جزئی از بنزین و یا ماده افزودنی به بنزین بکار می‌رود، بوسیله عدد اکتان مطلق تعیین می‌گردد.
یکی از تاثیرات افزودن یک ماده اکسیژنه روی خواص بنزین، افزایش قابلیت تحرک میباشد که این مواد می‌تواند قابلیت تحرک سوخت را بهبود بخشند. اختلاف بین مواد اکسیژنه‌ای که به عنوان یک ماده افزودنی و یا یک جزء به بنزین افزوده می‌گردند، ناشی از خواص گوناگون این مواد میباشد. معمولاً حداکثر میزان ماده اکسیژنه افزوده شده به بنزین، 15% حجمی میباشد.
اتانول
یکی از مهترین مصارف اتانول مطلق به عنوان سوخت موتور درونسوز میباشد. امروزه از اتانول در سه بازار مختلف استفاده میشود:
1. بنزین دوباره فرموله شده؛
2. مخلوط نمودن 10 درصد وزنی الکل با بنزین؛
3. اکسیژنه نمودن بنزین جهت کنترل مونواکسید کربن.
مقدار اتانول مصرفی در RGB ناچیز میباشد و حدوداً 10% تولید اتانول در امریکا جهت این امر مصرف می‌گردد. کشور برزیل در سال 1975 تولید الکل به مقدار زیادی را شروع نمود که تا سال 1988 مقدار تولید اتانول به 136 میلیون تن رسیده است. در حال حاضر حدود 10 میلیون اتومبیل در برزیل وجود دارد که تقریباً نصف این تعداد ماشین با اتانول خالص و مابقی با مخلوط 22درصد اتانول و 78درصد بنزین کار می‌کنند. لازم به ذکر است که 90% ماشین‌هایی که در حال حاضر در برزیل تولید می‌شوند، فقط با سوخت اتانول حاصل از ملاس نیشکر کار کرده و از بنزین استفاده نمی‌کنند.
عدد اکتان تحقیقی برای بنزین 95 است، ولی برای اتانول و متانول 106 میباشد و این اجازه را می‌دهد که از اتانول به عنوان سوخت در موتور ماشین‌ها (با بازده حرارتی بیشتر) استفاده نمود.
مکانیسم مصرف اتانول به عنوان سوخت در برابر بنزین به قرار زیر میباشد:
55/1 کیلوگرم اتانول جانشین یک کیلوگرم بنزین خواهد شد و از آنجایی که دانسیته اتانول 794/0 و بنزین 734/0 است. در نتیجه 433/1 لیتر اتانول جانشین یک کیلوگرم بنزین می‌گردد. با بهبود 10% بازدهی حرارتی ما می‌توانیم فرض کنیم که 303/1 لیتر اتانول جانشین 1 لیتر بنزین گردد. از اطلاعات گزارش شده در برزیل در خصوص نتایج علمی بدست آمده با الکل به نظر می‌رسد هر لیتر اتانول جانشین 9/0 لیتر بنزین میشود. جنبه‌های اقتصادی استفاده از اتانول یا متانول بجای بنزین در نتایج حاصل از آزمایش دانشگاه سانتاکلارای کالیفرنیا آمده است.
استفاده از اتانول به عنوان سوخت خالص مزیت‌هایی به دنبال دارد. برای مثال فشار بخار اتانول خالص یک چهارم فشار بخار بنزین میباشد و اتانول به اندازه کافی مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه را کاهش می‌دهد. گرمای تبخیر بالا، عدد اکتان بالا و دیگر خصوصیات آلی، اتانول را به عنوان یک سوختا خالص مناسب مطرح می‌سازد. بازده سوخت اتانولی حدوداً 20-15 درصد بیشتر از بنزین دوباره فرموله شده میباشد. بر اساس نتایج بدست آمده، مسافت طی شده توسط یک وسیله نقلیه که از سوخت اتانول استفاده می‌کند، 80 درصد مسافتی است که وسیله نقلیه‌ای با همان مقدار بنزین (از نظر حجمی) طی خواهد نمود. با درنظر گرفتن این نکته که اتانول دو سوم میزان انرژی بنزین را دارا میباشد.
معضل آلودگی هوا و ترکیبات آلاینده
هوا پایه‌ای‌ترین عنصر حیات است. هیچ نوعی از موجودات (جز تعداد انگشت‌شماری میکروب) بدون وجود هوا و اکسیژن قادر به ادامه حیات نیستند. نقش آن در زندگی روزمره ما چنان است که می‌توانیم بگوییم بدون آن هیچ چیز وجود ندارد و نارسایی دریافت آن (مانند آلودگی هوا) به تمام پدیده‌هایی که جلوه‌هایی از زندگی، کار، تندرستی، زیبایی و پویایی هستند، به شدت صدمه می‌زند.
طبق گزارش شورای اروپا در سپتامبر 1976 تعریف آلودگی هوا عبارت است از وجود یک جسم خارجی در هوا یا تغییر مهم در نسبت عوامل تشکیل دهنده آن که موجب آثار زیانبار شناخته شده و بروز بیماری‌های متعدد می‌گردد.
آلودگی هوا به سه شکل تعریف میشود:
1. گاز مانند CO.
2. آتروسل مانند CSF.
3. خرده جامد مانند دوده، گرد و غبار.
آلودگی ایجاد شده توسط انسان شامل وسایل نقلیه موتوری شخصی و عمومی، کارخانه، صنایع، واحدهای تجاری و منازل میباشد. گاز و مواد آلوده کننده اتومبیل‌ها شامل مونواکسید کربن، اکسیدهای ازت، هیدروکربن‌ها، سرب و دیگر ذرات است که در این میان سرب آزاد شده در هوا مختص اتومبیل‌های بنزینی است. گاز مونواکسیدکربن نتیجه احتراق ناقص سوخت (از هر نوع) است و بر اساس آمار موجود بیش از 70درصد آلودگی هوا را باعث میشود. گاز انیدرید سولفورو ناشی از سوختن گوگرد موجود در ماده سوختی است. هرچه این سوخت خام‌تر، سنگینتر و تصفیه نشده‌تر باشد (چون مازوت، نفت سیاه و ...)، میزان گوگرد موجود در آن و در نتیجه گاز انیدرید سولفورو حاصله بیشتر خواهد بود. اثر تخریبی این گاز به ویژه در هوای سرد ظاهر میشود، زیرا در ترکیب با رطوبت ابرها تبدیل به بخار خطرناک اسیدسولفوریک میشود. این بخار به تدریج در شش‌ها ذخیره میشود و نارسایی‌های گوناگون ریه را باعث می‌گردد. SO2 اثر بسیار سویی بر گیاهان، سبزیجات و محیط زیست دارد (بویژه در شکل اسیدهای شهری و پدیده خوردگی از اثرات این گاز میباشد.
نقش مواد اکسیژنه جهت کاهش هیدروکربن‌های خروجی از وسایل نقلیه
در موتورهای احتراق داخلی (درونسوز) افزایش هیدروکربن‌ها و مونوکسید کربن خروجی از اگزوز وسایل نقلیه ناشی از احتراق ناقص سوخت میباشد و با افزایش جزء آروماتیک میزان هیدروکربن و مونواکسید کربن خروجی افزایش می‌یابد. به هر حال، برای کاهش چنین مواد خروجی از لوله اگزوز وسایل نقلیه می‌بایستی میزان آروماتیک در بنزین کاهش یابد.
تاثیر مخلوط اترها با بنزین روی کاهش مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه
یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب جزء افزودنی به بنزین، این است که در اثر افزودن جزء موردنظر، مخلوط بنزین و ماده افزودنی بطور کامل بسوزد. سوخت کامل منجر به کاهش مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه خواهد شد.
با افزایش مقدار اکسیژن در سوخت، مونوکسید کربن خروجی تمایل به کاهش دارد. حداکثر کاهش هیدروکربن خروجی از اگزوز ماشین در یک مقدار مشخص اکسیژن موجود در بنزین حاصل میشود، کاهش هیدروکربن و مونوکسید کربن خروجی در اثر افزودن مواد اکسیژنه به بنزین مصرفی را می‌توان بدین طریق توضیح داد که اکسژن موجود در ساختار مولکولی بنزین، باعث بهبود احتراق سوخت می‌گردد.
در حالت کلی، علت حضور هیدروکربن و مونوکسید کربن در مواد خروجی، ناشی از احتراق ناقص سوخت میباشد. درک این مساله که هر یک از مواد اکسیژنه تاثیر خاصی روی ماده خروجی از اگزوز وسایل نقلیه می‌گذارد، مهم میباشد.
از طرفی اتانول روی مواد خروجی از اگزوز ماشین نیز مشابه با تاثیر مواد اتری مثل MTBE OR ETBE است، با این تفاوت که در غلظت یکسان اکسیژن، به مقدار کمتری اتانول جهت افزودن به سوخت مصرفی نیاز میباشد.
افزایش ETBE به بنزین به عنوان یک ماده افزودنی به تاثیرات زیر روی گاز خروجی از اگزوز وسایل نقلیه می‌انجامد:
• کاهش فرمالدئید و استالدئید؛
• کاهش اکسیدهای نیتروژن.
با افزودن مقداری اتر به بنزین (در شرایطی که بنزین شامل 7/2-2 درصد وزنی اکسیژن باشد) میزان مونوکسید کربن و هیدروکربن‌های خروجی از اگزوز به ترتیب 20-0، 10-5 درصد کاهش می‌یابند.
بنزین ماده‌ای سمی است که در گازهای خروجی مشاهده می‌گردد. در اثر افزودن اتر به بنزین میزان خروجی از 0 به 1 درصد وزنی کاهش می‌یابد. سولفور موجود در بنزین با افزودن ETBE به مقدار قابل توجهی حدوداً از 500ppm به 100ppm کاهش می‌یابد. میزان آروماتیک و الفین‌ها نیز با کاهش اکسیدهای نیتروژن کاهش می‌یابد.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 12 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله تحقیق کارگاه اصول اندازه‌گیری کاهش آلودگی زیست محیطی
