Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học tìm HIỂU QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN dầu mỏ TRONG CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN NHẬP MÔN Kỹ Thuật Hóa Học Đề tài TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN DẦU MỎ TRONG CÔNG NGHIỆPMỤC LỤCMở đầu………………………………………………………………………...3Phần I: Giới thiệu chung về dầu mỏ………………………………………...41.Dầu mỏ là gì ?..................................................................................................42.sự hình thành dầu mỏ………………………………………………………...43.Tính chất vật lý và tính chất hóa học cơ bản của dầu mỏ……………………64. Phân loại dầu mỏ…………………………………………………………….75. Tính chất lý hoá của các thành phần ………………………………………..86. Ứng dụng các chế phẩm từ dầu mỏ ………………………………..………117. Tầm quan trọng của dầu mỏ trong nền kinh tế……………………………..12Phần II: Kĩ thuật chế biến dầu mỏ trong công nghiệp…………………….13Các biện pháp công nghệ đã và đang sử dụng để chế biến dầu mỏ ở quy mô công nghiệp : Chưng cất phân đoạn……………………………………...……13A.Nguyên lý chung………………………………………………………...….13B.Sơ đồ công nghệ dây chuyền xử lý dầu mỏ ở quy mô công nghiệp………...13C.Thông số công nghệ cơ bản của các công đoạn chính trong dây chuyền sản xuất…………………………………………………………………………….141.Chưng cất thô………………………………………………………………..142.Hydroconversion…………………………………………………………….163.Cải cách xúc tác và đồng phân hóa……………………………………….....194. Phân tách nhựa đường, luyện cốc, Visbreaking………………………….....205. Chiết xuất dung môi và khử sáp dung môi……………………………...…..216. Nứt gãy chất xúc tác tầng sôi………………………………………….....…21 7. Ankyl hóa và polime hóa…………………………………………………...238. Quá trình làm ngọt và phối trộn sản phẩm………………………………….23Phần III: kết luận……………………………………………………………......24Phụ lục....................................................................................................................24Phụ lục A……………………………………………………………………….....24Phụ lục B……………………………………………………………………...…..24Phụ lục C……………………………………………………………………….25

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN NHẬP MÔNKỹ Thuật Hóa Học

Đề tài: TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN DẦU MỎ TRONGCÔNG NGHIỆP

Phạm Ngọc Duy

Đào Thị Hoàng Hà

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Vũ Tùng Lâm

3.Tính chất vật lý và tính chất hóa học cơ bản của dầu mỏ………6

4 Phân loại dầu mỏ……….7

5 Tính chất lý hoá của các thành phần ……… 8

6 Ứng dụng các chế phẩm từ dầu mỏ ……… ………11

7 Tầm quan trọng của dầu mỏ trong nền kinh tế……… 12

Phần II: Kĩ thuật chế biến dầu mỏ trong công nghiệp……….13

Các biện pháp công nghệ đã và đang sử dụng để chế biến dầu mỏ ở quy mô công nghiệp : Chưng cất phân đoạn……… ……13

A.Nguyên lý chung……… ….13

B.Sơ đồ công nghệ dây chuyền xử lý dầu mỏ ở quy mô công nghiệp……… 13

C.Thông số công nghệ cơ bản của các công đoạn chính trong dây chuyền sản xuất……….14

1.Chưng cất thô……… 14

3.Cải cách xúc tác và đồng phân hóa……… 19

4 Phân tách nhựa đường, luyện cốc, Visbreaking……… 20

5 Chiết xuất dung môi và khử sáp dung môi……… … 21

LỜI MỞ ĐẦU

quý giá của mỗi quốc gia nói chung và toàn nhân loại nói riêng Ngày nay sản phẩmcủa dầu mỏ đang có mặt trong hầu hết các lĩnh vực đời sống sinh hoạt hàng ngày củacon người cũng như công nghiệp Dưới góc độ năng lượng thì dầu mỏ là nguồn nănglượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới Theo số liệu thống kê thì cókhoảng 65% đến 70% năng lượng được sử dụng đi từ dầu mỏ Về gốc độ nguyênliệu thì ta có thể hình dung với một lượng nhỏ khoảng 5% dầu mỏ và khí được sửdụng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hoá dầu đã có thể cung cấp được trên90% nguyên liệu cho ngành công nghiệp hoá chất

Ngành khai thác chế biến dầu mỏ là một ngành công nghiệp mũi nhọn, chiếm mộtvị trí hết sức quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hóa học mà khôngcó tài nguyên thiên nhiên nào có thể thay thế được Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp,vì vậy muốn sử dụng được phải phân chia thành từng phân đoạn nhỏ Trong nhà máylọc dầu, chưng cất dầu là một phân xưởng quan trọng

Trên cơ sở kiến thức đã được học và qua quá trình tìm hiểu nhóm em đã hoàn thành bản đồ án với những nội dung chính sau:

Phần 1: Giới thiệu chung về dầu mỏ

Phần 2: Kĩ thuật chế biến dầu mỏ trong công nghiệpPhần 3: Kết luận

Đồ án của nhóm không thể tránh được những sai sót, rất mong nhận được sự hướng dẫn của thầy giáo và sự đóng góp của các bạn.

Xin chân thành cảm ơn!

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DẦU MỎ1.Dầu mỏ là gì ? [1]

Dầu mỏ hay dầu thô là một loại khoáng sản hữu ích, tồn tại dưới dạng chấtlỏng có độ sánh, nhờn và thường có màu đen (nhưng cũng có thể trong suốt hoặc cónhiều màu khác), xuất hiện dưới bề mặt vỏ Trái Đất Xét trên phương diện hóa học,dầu là hỗn hợp của hydrocarbon với lưu huỳnh, nitơ và các hợp chất khác

2 Sự hình thành dầu mỏ [2]

Khi xem xét về nguồn gốc của dầu mỏ, người ta đã đưa ra nhiều giả thiết khácnhau, thậm chí là trái ngược nhau, nhưng chủ yếu người ta quan tâm đến hai giả thiếtnhư sau: giả thiết về nguồn gốc vô cơ và giả thiết về nguồn gốc hữu cơ.

2.1 Nguồn gốc vô cơ của dầu mỏ:

Theo giả thiết về nguồn gốc vô cơ thì dầu mỏ được hình thành từ các hợp chất vô

Các chất hữu cơ hình thành từ các phản ứng trên tiếp tục biến đổi dưới tácđộng của các yếu tố như nhiệt độ, áp suất cao và xúc tác là các khoáng sét có sản tronglòng đất để tạo nên dầu khí

Tuy nhiên, trong những hoạt động thực tiễn thì giả thiết này đã gặp phải khánhiều vấn đề mà bản thân nó không thể giải thích được như:

dầu mỏ ngày càng tìm được với số lượng rất lớn và hầu như có mặt khắp nơi

thực tế nhiệt độ đạt được trong các mỏ dầu thì ít khi vượt quá 150 đến 200℃

trong dầu thô có chứa các porphyrin là hợp chất có nhiều trong xác động thực vật

Chính những khuyết điểm trên mà giả thiết này ngày càng có ít người quantâm và thay vào đó là giả thiết về nguồn gốc hữu cơ.

2.2 Nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ:

Theo giả thiết này thì dầu mỏ được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốchữu cơ, cụ thể là từ xác chết của động thực vật và trải qua một quá trình biến đổiphức tạp trong một thời gian dài (hàng chục đến hàng trăm triệu năm) dưới tác độngcủa nhiều yếu tố khác nhau như vi khuẩn, nhiệt độ, áp suất và xúc tác có sản tronglòng đất và đôi khi còn có sự tác động của các bức xạ do sự phóng xạ ở trong lòngđất (hình 2.1, 2.2).

Hình 2.1: Sự hình thành của dầu mỏ [3]

Hình 2.2: Sự hình thành của dầu mỏ [3]

3.Tính chất vật lý và tính chất hóa học cơ bản của dầu mỏ3.1 Tính chất vật lý

Trạng thái:chất lỏng sánh đặcMàu sắc: nâu đen

Mùi vị: có mùi đặc trưng [4]Độ tan: không tan trong nước

Nhiệt độ sôi,nóng chảy:ko xác định

Trọng lượng riêng:Trọng lượng riêng của dầu mỏ thường dao động từ khoảng 0,8(45,3 API) đối với dầu thô nhẹ và dầu thô nặng, đến hơn 1,0 (nhỏ hơn 10 API) đối vớibitum cát hắc ín.[5]

Ngoài ra các tính chất vật lý phổ biến nhất được sử dụng để mô tả dầu mỏ là tỷtrọng, độ nhớt và nhiệt độ bay hơi Tỷ trọng của dầu mỏ thường được biểu thị bằngtrọng lượng API (Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ), tỷ trọng này tỷ lệ nghịch với tỷ trọng riêng.[6]

phản ứng trên còn được gọi là phản ứng cháy (oxy hóa hoàn toàn),phản ứng này sinh ra năng lượng lớn (nhiệt lượng lớn)

b.Phản ứng oxy hóa không hoàn toàn:CnH2n+2 → CnH2n + H2

Phản ứng trên còn được gọi là phản ứng tách hydro hay phản ứng đề hydro hóa

3.2.2 Phản ứng làm gãy mạch cacbon(cracking) [8]

Cracking là quá trình trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp như kerogen hoặccác hydrocarbon cấu trúc lớn bị phá vỡ thành các hợp chất đơn giản hơn như là cáchydrocarbon nhẹ hơn, bằng cách bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử carbon trongcác hợp chất trên Tốc độ phản ứng của cracking và các sản phẩm cuối cùng phụthuộc rất nhiều vào nhiệt độ và sự có mặt của các chất xúc tác Cracking phá vỡ cácalkan lớn thành các alken nhỏ hơn, hữu dụng hơn Quá trình này có thể đòi hỏi nhiệtđộ cao và áp suất cao.

4 Phân loại dầu mỏ

4.1 Dựa vào bản chất hóa học [9-1]

Phân loại theo bản chất hóa học có nghĩa là dựa vào thành phần các loạihydrocacbon có trong dầu Nếu trong dầu, họ hydrocacbon nào chiếm phần chủ yếuthì dầu mỏ sẽ mang tên loại đó Ví dụ, dầu parafinic thì hàm lượng hydrocacbonparafinic trong đó phải chiếm 75% trở lên Tuy nhiên trong thực tế, không có bất kểmỏ dầu nào lại có thuần chủng một loại hydrocacbon như vậy, như vậy thường chỉ códầu trung gian; ví dụ, một loại dầu nào đó có: hơn 50% parafinic, lớn hơn 25%naphtenic và còn lại là các loại khác thì được gọi là dầu napteno - parafinic

Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại theo bản chất hóa học:

Phân loại theo Nelson, Waston và Murphy: theo các tác giả này, dầu mỏ được đặc trưng bởi các hệ số K, là một hằng số vật lý quan trọng, đặc trưng cho bản chất hóa học của dầu mỏ, được tính theo công thức:

Giới hạn hệ số K đặc trưng để phân chia dầu mỏ như sau:

parafinic trung gian naphtenic aromatic

- chiếm 60% lượng dầu thô - tỷ lệ C:H là 1: 2

15 thường là cácchuỗi thẳng hoặc mạch nhánh, nhưng không bao giờ là các hợp chấtmạch vòng.

- chiếm 30-60% lượng dầu thô- tỷ lệ C:H là 1:2- là những hợp chấ mạch vòng và có thể được coi là

Bảng 4.1 Hệ số K đặc trưng của các họ dầu mỏ khác nhau

4.2 Phân loại dầu mỏ theo tỉ trọng [9-2]

- Các chuyên gia có thể phân loại dầu thô theo tỷ trọng tương đối của dầu, dựa trên lựchấp dẫn của viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API) Phép đo này dựa theo mức độ nặng nhẹ của dầu so với nước bình thường và được tính theo công thức:

● API>10: nhẹ hơn nước, nổi● API<10: nặng hơn nước, chìm

4.3 Phân loại theo hàm lượng lưu huỳnh [10]

- “Ngọt”: hàm lượng lưu huỳnh >0.5%- “Chua”: hàm lượng lưu huỳnh <0,5%

5 Tính chất lý hoá của các thành phần [11] Thành phần các chất có trong dầu mỏ:

Thành phần Tên Thành Phần %

- Các hợp chất hidrocacbon:

Các hợp chất parafin 25-30% Các hợp chất vòng no hay các

hợp chất naphten 30-60% Các hidrocacbon thơm hay

aromatic 1-6% (Benzen và Xylen) 2-3% (Toluen) - Các hợp chất phi

hidrocacbon: Nitơ Oxi 0,01-1% 0,1-0,2% (phenol)

- N-parafin là loại hydrocacbon dễ tách và dễ xác định nhất trong số các loạihydrocacbon của dầu mỏ, cho nên hiện nay với việc sử dụng phương pháp sắc ký kết

- Một đặc điểm đáng chú ý của các hydrocacbon parafin là bắt đầu từ các parafin có số nguyên tử cacbon từ C18 trở lên, ở nhiệt độ thường chúng đã chuyểnsang trạng thái rắn, khi nằm trong dầu mỏ chúng hoặc nằm trong trạng thái hòa tanhoặc ở dạng tinh thể lơ lửng trong dầu Nếu hàm lượng n-parafin tinh thể quá cao, cókhả năng làm cho toàn bộ dầu mỏ mất tính linh động, và cũng bị đông đặc lại Trong

- Một số dầu mỏ trên thế giới có hàm lượng parafin rắn ( tách ra ở -21 ℃) rất cao, vìvậy ở ngay nhiệt độ thường toàn bộ dầu mỏ cũng bị đông đặc lại Tính chất này củacác n-parafin có trọng lượng phân tử lớn đã gây nhiều khó khăn cho quá trình vậnchuyển và chế biến dầu mỏ.

5.1.3 Các hydrocacbon thơm hay aromatic:

- Các hydrocacbon thơm là hợp chất hydrocacbon mà trong phân tử của chúng có chứaít nhất một nhân thơm Trong dầu mỏ có chứa cả loại một hoặc nhiều vòng

5.2 Các hợp chất phi hydrocacbon:

5.2.1 Các hợp chất của lưu huỳnh trong dầu mỏ:

- Hiện nay, trong dầu mỏ đã xác định được 250 loại hợp chất của lưu huỳnh Những hợp chất này thuộc vào những họ sau:

+ Mercaptan R-S-H+ Sunfua R-S-R’+ Đisunfua R-S-S-R’

- Lưu huỳnh ở dạng mercaptan khi ở nhiệt độ khoảng 300 ℃dễ bị phân hủy tạo thành

hydrocacbon không no, tương ứng với gốc hidrocacbon của nó:

- Ngoài các dạng hợp chất chứa lưu huỳnh đã kể trên, trong dầu mỏ còn chứa S dưới

rộng đối với các loại dầu khác nhau Thí dụ, lưu huỳnh nguyên tố có thể khác nhau

cũng vậy, có thể từ rất ít (Vết) cho đến 0,02% Giữa hàm lượng lưu huỳnh chung trongdầu mỏ và hàm lượng lưu huỳnh nguyên tố, lưu huỳnh H2S không có một mối quan hệ

nóng nhẹ, nên chúng gây ăn mòn rất mạnh các hệ đường ống, các thiết bị trao đổi

dầu được gọi là dầu “ngọt”, ngược lại quá giới hạn đó dầu được gọi là “chua” Cần chú

5.2.2 Các hợp chất của nitơ trong dầu mỏ:

- Các hợp chất của nitơ đại bộ phận đều nằm trong phân đoạn có nhiệt độ sôi cao của dầu mỏ Ở các phân đoạn nhẹ, các hợp chất chứa N chỉ thấy dưới dạng vết.

- Hợp chất chứa nitơ có trong dầu mỏ không nhiều lắm, hàm lượng nguyên tố nitơ chỉtừ 0,01 đến 1% Những hợp chất chứa nitơ trong dầu, trong cấu trúc phân tử của nó cóthể có loại chứa một nguyên tử nitơ, hay loại chứa 2, 3 thậm chí 4 nguyên tử nitơ.- Những hợp chất chứa một nguyên tử nitơ được nghiên cứu nhiều, chúng thườngmang tính bazơ như pyridin, quinolin, izo quinoline, acrylin hoặc có tính chất trungtính như các vòng pyrol, indol, cacbazol, benzocacbazol.

5.2.3 Các hợp chất của oxy trong dầu mỏ:

Trong dầu mỏ, các hợp chất chứa oxy thường có dưới dạng các axit (tức có nhóm COOH) các xeton (có nhóm -C=O) các phenol, và các loại ester và lacton nữa Tuyvậy trong số này các hợp chất chứa oxy dưới dạng các axit là quan trọng hơn cả.

-6 Ứng dụng các chế phẩm từ dầu mỏ [12]

Hình 1:ứng dụng của các chế phẩm đầu mỏ [4]

- Khí dầu mỏ (petroleum gas), nó được dùng để sưởi ấm, nấu ăn và chế biến racác sản phẩm nhựa (making plastics) Thành phần chủ yếu là các alkan, với cấu trúc từ1 đến 4 nguyên tử carbon như metan, etan, propan và butan … Chúng có khoảng nhiệt

- Nhiên liệu cho động cơ (gasoline môtrr fuel) hay ta thường gọi là xăng thươngphẩm; Đó là chất lỏng, hỗn hợp của các alkan và xyclo alkan có từ 5 đến 12 nguyên tử

- Nhiên liệu dầu hoả (kerosene fuel) dùng cho động cơ phản lực và máy baycánh quạt; Đây là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác; Đặc trưng là3 chất lỏng; Là hỗn hợp của các alkan với 10 đến 18 nguyên tử C và các chất thơm

- Dầu đốt (gas oil) hoặc dầu diezen chưng cất (diesel distillate), dùng làm nhiênliệu cho động cơ diezen hoặc dầu đốt (heating oil); Là nguyên liệu đầu vào để sản xuấtnhiều sản phẩm khác; Đặc trưng là chất lỏng bao gồm các alkan chứa từ 12 (hoặc hơn)

- Dầu nhờm (lubricating oil) – Được dùng để làm dầu bôi trơn cho động cơ, mỡnhờn và các loại dầu nhờn khác Đặc trưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20đến 50 nguyên tử C), bao gồm các alkan, xycloalkan và các chất thơm Khoảng nhiệt

- Dầu nặng (heavy gas) hoặc nhiên liệu đốt lò (fuel oil) Được dùng làm nhiênliệu cho công nghiệp Là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác Đặctrưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20 đến 70 nguyên tử C), bao gồm các

- Phần sót lại sau chưng cất (Residuals), bao gồm cặn cố (coke), nhựa đườngatphan và hắc ín (asphalt & tar), sáp (waxes) Chúng là những nguyên liệu đầu vào đểsản xuất ra nhiều sản phẩm thương mại khác nhau có những đặc tính rất đáng chú ýnhư: rắn, và có cấu tạo hợp chất phức tạp với 70 hoặc hơn các nguyên tử C và có thể

7 Tầm quan trọng của dầu mỏ trong nền kinh tế.

- Nửa cuối thế kỉ XX, thế giới chứng kiến sự bứt phá và chiếm lĩnh vị trí thốngsoái của dầu mỏ và khí thiên nhiên vs nền công nghiệp và dịch vụ xã hội, bỏ xa nhiênliệu hoá thạch truyền thống là than đá Và cho đến nay dầu mỏ là một trong nhữngnguồn năng lượng quan tròn nhất trong nền kinh tế.

+ Dầu lửa được coi là “ vàng đen”, chính vì sự ứng dụng rộng rãi trong gần nhưmọi hoạt động sống của con người Nó là nguồn nhiên liệu cho hầu hết các phươngtiện giao thông vận tải và các ngành sản xuất khác.

+ Đối với nhiều quốc gia xuất khẩu dầu lửa, ngành công nghiệp khai dầu lửa làxương sống của cả nền kinh tế Nó đóng vai trò là thu nhập chính cho cả nền kinh tếquốc gia

+ Đối với những nước nhập khẩu dầu mỏ, mọi ảnh hưởng dù là nhỏ nhất tớilượng cung, làm thay đổi giá dầu đều có ảnh hưởng nghiêm trọng đến các ngành sảnxuất của nước này Dầu mỏ, tại các nước nhập khẩu, có thể coi như thứ thuốc bôi trơncho sự phát triển kinh tế.

- Một quốc gia muốn duy trì được một nền kinh tế ổn định và phát triển đều cầnphải có một chiến lược năng lượng dầu mỏ một cách hợp lý, một chính sách an sinhnăng lượng toàn diện đảm bảo đủ nguồn dầu mỏ cần thiết cung cấp cho cả nền kinh tế.

PHẦN II: KĨ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU MỎ TRONG CÔNG NGHIỆP

Biện pháp công nghệ đã và đang sử dụng để chế biến dầu mỏ ở quy mô công nghiệp:

Phương pháp chưng cất phân đoạnA Nguyên lý chung [13]

Phân tách các cấu tử trong dầu thô cũng dựa trên nguyên tắc sự khác nhau vềnhiệt độ sôi của các cấu tử này trong cùng điều kiện Tuy nhiên, có một điều maymắn là đa số các sản phẩm dầu khí cũng không phải là đơn chất mà là tập hợp củanhiều cấu tử có nhiệt độ sôi nằm trong khoảng nhất định (một phân đoạn), vì vậy,không phải phân tách hàng ngàn các cấu tử thành các sản phẩm riêng biệt (một điềukhông khả thi trong thực tế) mà chỉ cần tách dầu thô thành một số phân đoạn nhấtđịnh Quá trình chưng cất tách các phân đoạn được thực hiện trong các tháp chưngcất Quá trình phân tách được thực hiện ở các đĩa (tháp đĩa) hay ở bề mặt tiếp xúc(tháp đệm) Các cấu tử nặng có nhiệt chuyển pha (bay hơi hay ngưng tụ) cao hơn sovới các cấu tử nhẹ có xu hướng dễ bị ngưng tụ hơn, khi ngưng tụ, các cấu tử này giảiphóng ra một lượng nhiệt làm các cấu tử nhẹ hơn bay hơi Quá trình cứ tiếp diện nhưvậy làm cho các cấu tử nhẹ hơn sẽ tăng dần ở phía phần trên của tháp.

B Sơ đồ công nghệ dây chuyền xử lý dầu mỏ ở quy mô công nghiệpC.

Làm ngọt và pha trộng sản phẩm chưng cất

Nứt gãychất xúctác tầng sôi

Làm ngọt và pha trộng sản phẩm dư

Nhựa đường