عنوان: تحقیق کارگاه اصول اندازه گیری
موضوع: 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 پژوهش هایی را در مورد کاربرد الکل ها به عنوان سوخت خودروها به انجام رسانیده اند. نتایج بدست آمده ر این زمینه نشان می دهد که الکل ها و اترها با داشتن عدد اکتان بالا می توانند 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 می باشد. تحقیقات کاربردی در مورد مخلوط های 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 می گردند و از طریق سوپاپ ورودی وارد سیلندر می شوند. در سیلندر اختلاط با گاز باقیمانده صورت گرفته و سپس این مخلوط متراکم می شود. تحت شرایط معمولی کارکرد، احتراق در انتهای مرحله تراکم و در اطراف شمع بوسیله جرقه الکتریکی آغاز می شود.
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 می باشد. نام آن از صدای حاصل از خوداشتغالی قسمتی از مخلوط سوخت، هوا و گاز باقیمانده جلوتر از شعله در حال پیشروی، ناشی می شود. همانطور که شعله در محفظه احتراق انتشار می یابد، مخلوط نسوخته جلوتر از آن موسوم به گاز پایانی فشرده شده و موجب افزایش فشار، دما و دانسیته آن می شود. 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 می کند. این امر موجب ایجاد صدای فلزی تیزی به نام ضربه می شود.
برای از بین بردن ضربه در موتورهای درون سوز از الکیل های سرب بخصوص تترااتیل سرب که یک ماده افزودنی ضدضربه ای بسیار موثر می باشد، استفاده می کند. ایجاد این ضربه در سوخت های مختلف متفاوت است.
جهت مشخص نمودن سوخت های مختلف از نقطه نظر ایجاد ضربه، درجه آرام سوزی یا عدد اکتان مورد استفاده قرار می گیرد.
توضیح مقاله
عدد اکتان
کیفیت آرام سوزی بنزین را بر حسب عدد اکتان تعیین می کنند. برحسب تعریف، برای ایزواکتان (2-2-4 تری متیل پنتان) 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 می رود. تعدادی از این مواد عبارتند از: بنزین، الکل اتیلیک، ترکیبات آلی فلزی مثل کربونیل های آهن یا نیکل و بسیاری از آمین ها.
خواص مواد اکسیژنه
مواد اکسیژنه به ترکیباتی اطلاق می گردد که در ساختمان مولکولی آنها اتم اکسیژن بکار رفته است. امروزه دو نوع ماده اکسیژنه برای ترکیب با سوخت مصرفی (بنزین) مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از الکل ها و اترها.
تمام ترکیبات اکسیژنه دارای عدد اکتان بالا و نقطه جوش قابل مقایسه با بنزین مصرفی می باشند: ترکیبات الکلی مقدار اکسیژن بیشتری نسبت به ترکیبات اتری دارند و اتم اکسیژن بیشتر باعث بهبود احتراق سوخت می گردد.
یکی از بزرگترین تفاوت ها بین الکل ها و اترها میزان حلالیت آنها در آب می باشد. الکل ها به مراتب بیشتر از اترها در آب حل می گردند و این به علت وجود اتم اکسیژن در ترکیب الکل می باشد که پیوند قطبی تری نسبت به پیوند اکسیژن موجود در اترها بوجود می آورد و حلالیت بیشتر در آب را موجب می گردد.
تاثیر اختلاط مواد اکسیژنه گوناگون روی خواص بنزین مصرفی
مواد اکسیژنه گوناگون تاثیرات مختلفی روی خواص بنزین می گذارند.
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 می رود، بوسیله عدد اکتان مطلق تعیین می گردد.
یکی از تاثیرات افزودن یک ماده اکسیژنه روی خواص بنزین، افزایش قابلیت تحرک می باشد که این مواد می تواند قابلیت تحرک سوخت را بهبود بخشند. اختلاف بین مواد اکسیژنه ای که به عنوان یک ماده افزودنی و یا یک جزء به بنزین افزوده می گردند، ناشی از خواص گوناگون این مواد می باشد. معمولاً حداکثر میزان ماده اکسیژنه افزوده شده به بنزین، 15% حجمی می باشد.
اتانول
یکی از مهترین مصارف اتانول مطلق به عنوان سوخت موتور درون سوز می باشد. امروزه از اتانول در سه بازار مختلف استفاده می شود:
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 می باشد و حدوداً 10% تولید اتانول در امریکا جهت این امر مصرف می گردد. 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 می کنند. لازم به ذکر است که 90% ماشین هایی که در حال حاضر در برزیل تولید می شوند، فقط با سوخت اتانول حاصل از ملاس نیشکر کار کرده و از بنزین استفاده نمی کنند.
عدد اکتان تحقیقی برای بنزین 95 است، ولی برای اتانول و متانول 106 می باشد و این اجازه را می دهد که از اتانول به عنوان سوخت در موتور ماشین ها (با بازده حرارتی بیشتر) استفاده نمود.
مکانیسم مصرف اتانول به عنوان سوخت در برابر بنزین به قرار زیر می باشد:
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 می گردد. با بهبود 10% بازدهی حرارتی ما می توانیم 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 می رسد هر لیتر اتانول جانشین 9/0 لیتر بنزین می شود. جنبه های 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 مزیت هایی به دنبال دارد. برای مثال فشار بخار اتانول خالص یک چهارم فشار بخار بنزین می باشد و اتانول به اندازه کافی مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه را کاهش می دهد. گرمای تبخیر بالا، عدد اکتان بالا و دیگر خصوصیات آلی، اتانول را به عنوان یک سوختا خالص مناسب مطرح می سازد. بازده سوخت اتانولی حدوداً 20-15 درصد بیشتر از بنزین دوباره فرموله شده می باشد. بر اساس نتایج بدست آمده، مسافت طی شده توسط یک وسیله نقلیه که از سوخت اتانول استفاده می کند، 80 درصد مسافتی است که وسیله نقلیه ای با همان مقدار بنزین (از نظر حجمی) طی خواهد نمود. با درنظر گرفتن این نکته که اتانول دو سوم میزان انرژی بنزین را دارا می باشد.
معضل آلودگی هوا و ترکیبات آلاینده
هوا پایه ای ترین عنصر حیات است. هیچ نوعی از موجودات (جز تعداد انگشت شماری میکروب) بدون وجود هوا و اکسیژن قادر به ادامه حیات نیستند. نقش آن در زندگی روزمره ما چنان است که می توانیم بگوییم بدون آن هیچ چیز وجود ندارد و نارسایی دریافت آن (مانند آلودگی هوا) به تمام پدیده هایی که جلوه هایی از زندگی، کار، تندرستی، زیبایی و پویایی هستند، به شدت صدمه می زند.
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 بیماری های متعدد می گردد.
آلودگی هوا به سه شکل تعریف می شود:
1. گاز مانند CO.
2. آتروسل مانند CSF.
3. خرده جامد مانند دوده، گرد و غبار.