دانلود فایل ورد مقاله در مورد تحقيق كارگاه اصول اندازه‌گيري كاهش آلودگي زيست محيطي با كاربرد الكل در سوخت خودرو

    —         —    

ارتباط با ما     —     لیست پایان‌نامه‌ها

... دانلود ...

بخشی از متن دانلود فایل ورد مقاله در مورد تحقيق كارگاه اصول اندازه‌گيري كاهش آلودگي زيست محيطي با كاربرد الكل در سوخت خودرو :

تحقیق كارگاه اصول اندازه‌گیری كاهش آلودگی زیست محیطی با كاربرد الكل در سوخت خودرو

كاهش آلودگی زیست محیطی با كاربرد الكل در سوخت خودرو
چكیده:
طرح تولید الكل با توجه به كاربردهای وسیع الكل به عنوان ماده اولیه صنایع شیمیایی و امكان استفاده از آن در صنایع نفت به عنوان ماده افزودنی به سوخت مصرفی كشور و همچنین جایگزین مناسب برای تترااتیل سرب مورد استفاده در بنزین مورد توجه قرار گرفته دارد. اتانول به عنوان یكی از مواد اكسیژن به بالابرنده عدد اكتان 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.

تاكنون بسیاری از كشورهای پیشرفته و در حال رشد پژوهش‌هایی را در مورد كاربرد الكل‌ها به عنوان سوخت خودروها به انجام رسانیده‌‌اند. نتایج بدست آمده ر این زمینه نشان می‌دهد كه الكل‌ها و اترها با داشتن عدد اكتان بالا می‌توانند به عنوان جانشین برای تترااتیل سرب موجود در بنزین موتور خودروها مطرح باشند.
آلودگی پایینتر از حد استاندارد ناشی از احتراق الكل نیز عامل موثری در توجه به این سوخت می‌باشد. تحقیقات كاربردی در مورد مخلوط‌های اتانول و بنزین در كشورهای آمریكا، ژاپن، هلند، بلژیك، سوییس و اتریش صورت پذیرفته است و هنوز هم ادامه دارد.

مقدمه
احتراق
در یك موتور متعارف بنزینی، سوخت و هوا در یك سیستم ورودی مخلوط می‌گردند و از طریق سوپاپ ورودی وارد سیلندر می‌شوند. در سیلندر اختلاط با گاز باقیمانده صورت گرفته و سپس این مخلوط متراكم می‌شود. تحت شرایط معمولی كاركرد، احتراق در انتهای مرحله تراكم و در اطراف شمع بوسیله جرقه الكتریكی آغاز می‌‌شود.
در احتراق عادی شعله ایجاد شده توسط جرقه، به آرامی در محفظه احتراق حركت كرده، تا مخلوط سوخت و هوا كاملاً مصرف شود. عوامل متعددی مانند تركیب سوخت، بعضی پارامترهای خاص و طراحی و عملیاتی و رسوبات محفظه احتراق ممكن است از وقوع فرآیند عادی جلوگیری نمایند. دو نوع احتراق غیرعادی وجود دارد كه 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 كه 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 ممكن است قبل از احتراق عادی، فعل و انفعال شیمیایی رخ دهد.

محصولات حاصل از این فعل و انفعال ممكن 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 می‌كند. این امر موجب ایجاد صدای فلزی تیزی به نام ضربه می‌شود.
برای از بین بردن ضربه در موتورهای درون‌سوز از الكیل‌های سرب بخصوص تترااتیل سرب كه یك ماده افزودنی ضدضربه‌ای بسیار موثر می‌باشد، استفاده می‌كند. ایجاد این ضربه در سوخت‌های مختلف متفاوت است.

جهت مشخص نمودن سوخت‌های مختلف از نقطه نظر ایجاد ضربه، درجه آرام‌سوزی یا عدد اكتان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
توضیح مقاله
عدد اكتان
كیفیت آرام‌سوزی بنزین را بر حسب عدد اكتان تعیین می‌كنند. برحسب تعریف، برای ایزواكتان (2-2-4 تری‌متیل‌پنتان) عدد اكتان 100 و برای نرمال هپتان عدد اكتان صفر منظور شده است. اگر سوختی با درصد معینی ایزواكتان و نرمال هپتان تهیه شود، بر حسب درصد موجود هر كدام در مخلوط، دارای عدد اكتانی بین صفر تا 100 خواهد بود.
امروزه مواد شیمیایی گوناگونی جهت جلوگیری از ایجاد ضربه و یا بالا بردن اكتان بنزین بكار می‌رود. تعدادی از این مواد عبارتند از: بنزین، الكل اتیلیك، تركیبات آلی فلزی مثل كربونیل‌های آهن یا نیكل و بسیاری از آمین‌ها.
خواص مواد اكسیژنه
مواد اكسیژنه به تركیباتی اطلاق می‌گردد كه در ساختمان مولكولی آنها اتم اكسیژن بكار رفته است. امروزه دو نوع ماده اكسیژنه برای تركیب با سوخت مصرفی (بنزین) مورد استفاده قرار می‌گیرد كه عبارتند از الكل‌ها و اترها.

تمام تركیبات اكسیژنه دارای عدد اكتان بالا و نقطه جوش قابل مقایسه با بنزین مصرفی می‌باشند: تركیبات الكلی مقدار اكسیژن بیشتری نسبت به تركیبات اتری دارند و اتم اكسیژن بیشتر باعث بهبود احتراق سوخت می‌گردد.
یكی از بزرگترین تفاوت‌ها بین الكل‌ها و اترها میزان حلالیت آنها در آب می‌باشد. الكل‌ها به مراتب بیشتر از اترها در آب حل می‌گردند و این به علت وجود اتم اكسیژن در تركیب الكل می‌باشد كه پیوند قطبی‌تری نسبت به پیوند اكسیژن موجود در اترها بوجود می‌آورد و حلالیت بیشتر در آب را موجب می‌گردد.

تاثیر اختلاط مواد اكسیژنه گوناگون روی خواص بنزین مصرفی
مواد اكسیژنه گوناگون تاثیرات مختلفی روی خواص بنزین می‌گذارند.
یكی از پارامترهای مهم و تاثیرگذار روی خواص بنزین مصرفی عدد اكتان مواد است. مقدار عدد اكتان هر ماده اكسیژنه كه به عنوان جزئی از بنزین و یا ماده افزودنی به بنزین بكار می‌رود، بوسیله عدد اكتان مطلق تعیین می‌گردد.
یكی از تاثیرات افزودن یك ماده اكسیژنه روی خواص بنزین، افزایش قابلیت تحرك می‌باشد كه این مواد می‌تواند قابلیت تحرك سوخت را بهبود بخشند. اختلاف بین مواد اكسیژنه‌ای كه به عنوان یك ماده افزودنی و یا یك جزء به بنزین افزوده می‌گردند، ناشی از خواص گوناگون این مواد می‌باشد. معمولاً حداكثر میزان ماده اكسیژنه افزوده شده به بنزین، 15% حجمی می‌باشد.
اتانول
یكی 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 الكل با بنزین؛
3 اكسیژنه نمودن بنزین جهت كنترل مونواكسید كربن.
مقدار اتانول مصرفی در RGB ناچیز می‌باشد و حدوداً 10% تولید اتانول در امریكا جهت این امر مصرف می‌گردد. كشور برزیل در سال 1975 تولید الكل به مقدار زیادی را شروع نمود كه تا سال 1988 مقدار تولید اتانول به 136 میلیون تن رسیده است. در حال حاضر حدود 10 میلیون اتومبیل در برزیل وجود دارد كه تقریباً نصف این تعداد ماشین با اتانول خالص و مابقی با مخلوط 22درصد اتانول و 78درصد بنزین كار می‌كنند. لازم به ذكر است كه 90% ماشین‌هایی كه در حال حاضر در برزیل

تولید می‌شوند، فقط با سوخت اتانول حاصل از ملاس نیشكر كار كرده و از بنزین استفاده نمی‌كنند.
عدد اكتان تحقیقی برای بنزین 95 است، ولی برای اتانول و متانول 106 می‌باشد و این اجازه را می‌دهد كه از اتانول به عنوان سوخت در موتور ماشین‌ها (با بازده حرارتی بیشتر) استفاده نمود.
مكانیسم مصرف اتانول به عنوان سوخت در برابر بنزین به قرار زیر می‌‌باشد:

55/1 كیلوگرم اتانول جانشین یك كیلوگرم بنزین خواهد شد و از آنجایی كه دانسیته اتانول 794/0 و بنزین 734/0 است. در نتیجه 433/1 لیتر اتانول جانشین یك كیلوگرم بنزین می‌گردد. با بهبود 10% بازدهی حرارتی ما می‌توانیم فرض كنیم كه 303/1 لیتر اتانول جانشین 1 لیتر بنزین گردد. از اطلاعات گزارش شده در برزیل در خصوص نتایج علمی بدست آمده با الكل 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 سانتاكلارای كالیفرنیا آمده است.
استفاده از اتانول به عنوان سوخت خالص مزیت‌هایی به دنبال دارد. برای مثال فشار بخار اتانول خالص یك چهارم فشار بخار بنزین می‌باشد و اتانول به اندازه كافی مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه را كاهش می‌دهد. گرمای تبخیر بالا، عدد اكتان بالا و دیگر خصوصیات آلی، اتانول را به عنوان یك 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 یك وسیله نقلیه كه از سوخت اتانول استفاده می‌كند، 80 درصد مسافتی است كه وسیله نقلیه‌ای با همان مقدار بنزین (از نظر حجمی) طی خواهد نمود. با درنظر گرفتن این نكته كه اتانول دو سوم میزان انرژی بنزین را دارا می‌باشد.
معضل آلودگی هوا و تركیبات آلاینده
هوا پایه‌ای‌ترین عنصر حیات است. هیچ نوعی از موجودات (جز تعداد انگشت‌شماری میكروب) بدون وجود هوا و اكسیژن قادر به ادامه حیات نیستند. نقش آن در زندگی روزمره ما چنان است كه می‌توانیم بگوییم بدون آن هیچ چیز وجود ندارد و نارسایی دریافت آن (مانند آلودگی هوا) به تمام پدیده‌هایی كه جلوه‌هایی از زندگی، كار، تندرستی، زیبایی و پویایی هستند، به شدت صدمه می‌زند.
طبق گزارش شورای اروپا در سپتامبر 1976 تعریف آلودگی هوا عبارت است از وجود یك جسم خارجی در هوا یا تغییر مهم در نسبت عوامل تشكیل دهنده آن كه موجب آثار زیانبار شناخته شده و بروز بیماری‌های متعدد می‌گردد.

آلودگی هوا به سه شكل 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، كارخانه، صنایع، واحدهای تجاری و منازل می‌باشد. گاز و مواد آلوده كننده اتومبیل‌ها شامل مونواكسید كربن، اكسیدهای ازت، هیدروكربن‌ها، سرب و دیگر ذرات است كه در این میان سرب آزاد شده در هوا مختص اتومبیل‌های بنزینی است. گاز مونواكسیدكربن 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 تركیب با رطوبت ابرها تبدیل به بخار خطرناك اسیدسولفوریك 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 شكل اسیدهای شهری و پدیده خوردگی از اثرات این گاز می‌باشد.
نقش مواد اكسیژنه جهت كاهش هیدروكربن‌های خروجی از وسایل نقلیه
در موتورهای احتراق داخلی (درونسوز) افزایش هیدروكربن‌ها و مونوكسید كربن خروجی از اگزوز وسایل نقلیه ناشی از احتراق ناقص سوخت می‌باشد و با افزایش جزء آروماتیك میزان هیدروكربن و مونواكسید كربن خروجی افزایش می‌یابد. به هر حال، برای كاهش چنین مواد خروجی از لوله اگزوز وسایل نقلیه می‌بایستی میزان آروماتیك در بنزین كاهش یابد.
تاثیر مخلوط اترها با بنزین روی كاهش مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه
یكی از فاكتورهای مهم در انتخاب جزء افزودنی به بنزین، این است كه در اثر افزودن جزء موردنظر، مخلوط بنزین و ماده افزودنی بطور كامل بسوزد. سوخت كامل منجر به كاهش مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه خواهد شد.
با افزایش مقدار اكسیژن در سوخت، مونوكسید كربن خروجی تمایل به كاهش دارد. حداكثر كاهش هیدروكربن خروجی از اگزوز ماشین در یك مقدار مشخص اكسیژن موجود در بنزین حاصل می‌شود، كاهش هیدروكربن و مونوكسید كربن خروجی در اثر افزودن مواد اكسیژنه به بنزین مصرفی را می‌توان بدین طریق توضیح داد كه اكسژن موجود در ساختار مولكولی بنزین، باعث بهبود احتراق سوخت می‌گردد.

در حالت كلی، علت حضور هیدروكربن و مونوكسید كربن در مواد خروجی، ناشی از احتراق ناقص سوخت می‌باشد. درك این مساله كه هر یك از مواد اكسیژنه 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 كه در غلظت یكسان اكسیژن، به مقدار كمتری اتانول جهت افزودن به سوخت مصرفی نیاز می‌باشد.
افزایش ETBE به بنزین به عنوان یك ماده افزودنی به تاثیرات زیر روی گاز خروجی

از اگزوز وسایل نقلیه می‌انجامد:
• كاهش فرمالدئید و استالدئید؛
• كاهش اكسیدهای نیتروژن.
با افزودن مقداری اتر به بنزین (در شرایطی كه بنزین شامل 7/2-2 درصد وزنی اكسیژن باشد) میزان مونوكسید كربن و هیدروكربن‌های خروجی از اگزوز به ترتیب 20-0، 10-5 درصد كاهش می‌یابند.
بنزین ماده‌ای سمی است كه در گازهای خروجی مشاهده می‌گردد. در اثر افزودن اتر به بنزین میزان خروجی از 0 به 1 درصد وزنی كاهش می‌یابد. سولفور موجود در بنزین با افزودن ETBE به مقدار قابل توجهی حدوداً از 500ppm به 100ppm كاهش می‌یابد. میزان آروماتیك و الفین‌ها نیز با كاهش اكسیدهای نیتروژن كاهش می‌یابد.
همچنین با مقایسه دو ماده افزودنی اتری (MTBE, ETBE) مشاهده می‌گردد كه ETBE 19% نسبت به MTBE اثر كمتری روی اسیدی كردن اتمسفر می‌گذارد و این كاهش روی اسیدی شدن ناشیاز مصرف كمتر از ایزوبوتیلن در تولید ETBE می‌باشد. این مساله مهم است كه هر دو ماده ETBE, MTBE فاقد سولفور هستند. مزیت‌های ETBE نسبت به MTBE عبارتند از: تجدیدپذیر بودن اتانول و میزان مصرف كمتر نقت برای تولید ایروبوتیلن. همچنین با افزودن ETBE به بنزین ماده آلاینده خروجی از اگزوز وسایل نقلیه كاهش می‌یابد. در صورتی كه 1درصد وزنی اكسیژن به بنزین مصرفی اضافه شود، میزان مونوكسید كربن خروجی حدوداً 4/7% خروجی كاهش می‌یاید. هیدروكربن‌های نسوخته (HC) خروجی از اگزوز وسایل نقلیه‌ای كه بنزین شامل ETBE مصرف می‌كنند، 20% كمتر از HC خروجی بنزین كه ETBE به آن اضافه شده است، می‌باشد.
استفاده از مواد اكسیژنه مخصوصاً اتانول و ETBE برای پاكسازی شهرهای آلوده بسیار مناسب و قابل قبول تشخیص داده شده است و استفاده از این مواد همچنان رو به افزایش می‌باشد. مواد خروجی از اگزوز وسایل نقلیه‌ای كه از اتانول به عنوان افزودنی سوخت استفاده می‌كنند، عبارتند از:
• مونوكسید كربن و هیدروكربن‌های نسوخته؛
• فرمالدئید و استالدئید.
تركیباتی چون مونوكسید كربن، اكسیدهای نیتروژن و اسیدهای آلی فرار (VOC)، اثرات زیانباری بر لایه ازن می‌گذارند.
بر اساس تحقیقات كشورهای اروپایی، استفاده از مواد اكسیژنه مثل اتانول یا ETBE با 2% وزنی اكسیژن، باعث كاهش مقدار تركیبات آروماتیكی (تا 25% نسبت به بنزین) و بنزن (تا 7% نسبت به بنزین) می‌گردد. در صورت استفاده از الكل‌ها مقدار هیدروكربن‌های سوخته شده و مونوكسید كربن خروجی نسبت به استفاده از بنزین كاهش می‌یابد. البته مقدار NOX به میزان ناچیزی افزایش یافته، ولی این مساله نبایستی موجب عدم استفاده از سوخت اتانولی در جهان سوم شود. اگر مساله افزودن اتانول به بنزین موردنظر باشد، مقدار مواد خروجی حاصل از احتراق مخلوط سوخت

بطور قابل ملاحظه‌ای كاهش می‌یابد. امروزه سیستم حمل و نقل با تولید 20% از كل مونوكسید كربن تولید شده، سهم بسزایی در آلودگی جهانی را دارا می‌باشد و این مقدار همچنان رو به افزایش است. استفاده از اتانول می‌تواند بخش گازهای خروجی كه باعث اثر گلخانه‌ای می‌شوند، را بین 50-20 درصد در مقایسه با بنزین كاهش دهد و این كاهش بستگی به منابع انرژی مورد استفاده در فرآیند تولید دارد.
مراجع:

لینک کمکی