Tiểu luận hóa học dầu mỏ chapter 9 fractional composition 9 1 introduction 9 2 distillation 9 3 solvent treatment

Các thành phần dầu mỏ được tách ra bằng cách sử dụng một kỹthuật được gọi là chưng cất phân đoạn tức là tách hỗn hợp chất lỏngthành các chất khác nhau ở điểm sôi tương ứng của chất đó bằ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

TIỂU LUẬN HÓA HỌC DẦU MỎ

Chapter 9: Fractional Composition

9.1 Introduction 9.2 Distillation 9.3 Solvent Treatment

Sinh viên thực hiện : 1 Lê Thị Thùy Linh - 20201587

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3

9.1 GIỚI THIỆU: 4

9.1.1 Tổng quan: 4

9.1.2 Nghiên cứu về đặc tính: 4

9.1.3 Các phương pháp phân đoạn: 4

9.2 CHƯNG CẤT: 5

9.2.1 Áp suất khí quyển: 9

9.2.2 Giảm áp suất: 10

9.2.3 Chưng cất azeotropic và chiết: 12

9.3 XỬ LÝ DUNG MÔI: 14

9.3.1 Tách aspalten: 16

9.3.1.1 Ảnh hưởng của loại dung môi: 16

9.3.1.2 Ảnh hưởng của độ pha loãng: 19

9.3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ: 19

9.3.1.4 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 20

9.3.2 Phân đoạn: 20

PHẦN KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHẦN MỞ ĐẦU

Dầu mỏ(dầu thô) đã được loài người đã tìm thấy hàng ngàn năm

trước Công Nguyên, tuy nhiên đến thế kỷ 19 người ta mới bắt đầukhai thác, chế biến dầu theo qui mô công nghiệp Ngày nay dầu mỏ

là một trong những nhiên liệu quan trọng nhất của xã hội hiện đạidùng để để sản xuất nhiên liệu cho các phương tiện giao thông,nguyên liệu cho ngành tổng hợp hữu cơ hoá dầu Dầu mỏ tồn tạitrong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất Dầu mỏ là mộthỗn hợp hóa chất hữu cơ ở thể lỏng đậm đặc, phần lớn là những hợpchất của hydrocarbon, thuộc gốc alkane, thành phần rất đa dạng.Hiện nay dầu mỏ chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, dầu diesel vàxăng nhiên liệu

Ngoài ra, dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất racác sản phẩm của ngành hóa dầu như dung môi, phân bón hóahọc, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường Khoảng 88% dầu thô dùng

để sản xuất nhiên liệu, 12% còn lại dùng cho hóa dầu Do dầu thô lànguồn năng lượng không tái tạo nên nhiều người lo ngại về khả năngcạn kiệt dầu trong một tương lai không xa Nó thường được tinh chếthành nhiều loại nhiên liệu

Các thành phần dầu mỏ được tách ra bằng cách sử dụng một kỹthuật được gọi là chưng cất phân đoạn tức là tách hỗn hợp chất lỏngthành các chất khác nhau ở điểm sôi tương ứng của chất đó bằngphương pháp chưng cất

Có thể thấy thành phần chưng cất phân đoạn dầu mỏ là một quátrình rất quan trọng, chính vì thế, nhóm 13 chúng em lựa chọn

Chương 9 Fractional Composition từ cuốn The Chemistry and

Technology of Petroleum, Fifth Edition để làm đề tài của bài

tiểu luận của mình

Trong quá trình làm bài chắn chắn không thể tránh khỏi những saisót và còn nhiều thiếu sót, chúng em rất mong rằng sẽ nhận được sựđóng góp ý kiến và sự giúp đỡ của Cô để bài tiểu luận được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

9.1 GIỚI THIỆU:

9.1.1 Tổng quan:

Tinh chế dầu mỏ bao gồm việc đưa nguyên liệu vào một loạt các quá trình vật lý vàhóa học (Chương 15) nhờ đó tạo ra nhiều loại sản phẩm Trong một số quy trình,ví dụnhư quá trình chưng cất, các thành phần của nguyên liệu thô được tách ra và khôngthay đổi, trong khi ở các quy trình khác các quá trình, chẳng hạn như quá trìnhcracking, những thay đổi đáng kể được tạo ra đối với các thành phần

Việc thừa nhận rằng hoạt động của nhà máy lọc dầu có liên quan đến thành phần củanguyên liệu thô đã dẫn đến nhiều nỗ lực nhằm xác định dầu mỏ và các phần phânđoạn của nó là thành phần của vật chất Kết quả là, nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau

đã được phát triển để xác định và định lượng mọi phân tử ở phần sôi thấp hơn của dầu

mỏ (ASTM, 2012) Bây giờ nó được công nhận rộng rãi rằng tên dầu mỏ không mô tảthành phần của vật chất mà là hỗn hợp của nhiều loại các hợp chất hữu cơ bao gồmnhiều loại trọng lượng phân tử và loại phân tử tồn tại cân bằng với nhau (Speight,1994; Subramanian và cộng sự, 1996; McLean và Kilpatrick, 1997; Long và Speight,1998) Cũng phải có một số câu hỏi về tính khả thi (có lẽ là vô ích một từ hay hơn) vềviệc cố gắng mô tả mọi phân tử trong dầu mỏ Trọng tâm thực sự phải là mục đích màcác phân tử này có thể được sử dụng

9.1.2 Nghiên cứu về đặc tính:

Các nghiên cứu về đặc tính của dầu mỏ cần phải tập trung vào ảnh hưởng của đặc tínhcủa nó đến hoạt động lọc dầu và bản chất của sản phẩm sẽ được sản xuất Hơn nữa,một phương pháp nghiên cứu đặc tính của dầu mỏ là thông qua thành phần phân đoạncủa nó Tuy nhiên, thành phần phân đoạn của dầu mỏ thay đổi rõ rệt theo phươngpháp sự cô lập hoặc tách biệt, do đó dẫn đến những biến chứng tiềm ẩn (đặc biệt trongtrường hợp nguyên liệu nặng hơn) trong việc lựa chọn phương án chế biến phù hợpcho những nguyên liệu này Dầu thô có thể được chia thành ba hoặc bốn phần chung:(1) phần nhựa đường, (2) phần nhựa, (3) phần thơm và (4) phần bão hòa (Hình 9.1)

Vì vậy, có thể so sánh các nghiên cứu giữa các phòng thí nghiệm và từ đó áp dụngkhái niệm về khả năng dự đoán để tinh chỉnh trình tự và sản phẩm tiềm năng

Các nghiên cứu về đặc tính của dầu mỏ thông qua nghiên cứu phân đoạn đã được thựchiện trong hơn 170 năm (Boussingault, 1837), mặc dù các kỹ thuật phân đoạn hiện đại

về cơ bản là một phương pháp tiếp cận của thế kỷ XX để kiểm tra thành phần dầu mỏ.Trên thực tế, quá trình phân đoạn dầu mỏ đã phát triển đến mức hiện nay người ta cóthể xác định với độ chính xác cao các loại hợp chất có trong dầu thô

9.1.3 Các phương pháp phân đoạn:

Các phương pháp phân đoạn hiện có trong ngành dầu khí cho phép tách hỗn hợphydrocarbon ở mức độ hợp lý và hiệu quả Tuy nhiên, vấn đề là tách các thành phầndầu mỏ mà không làm thay đổi cấu trúc phân tử của chúng và thu được các thành phầnnày ở trạng thái gần như tinh khiết Vì vậy, quy trình chung là sử dụng các kỹ thuậtphân tách các thành phần theo kích thước phân tử và loại phân tử

Tuy nhiên, nhìn chung thì sự thành công của bất kỳ quy trình phân đoạn nào đềukhông chỉ liên quan đến việc áp dụng một kỹ thuật cụ thể mà còn cả việc sử dụng một

số kỹ thuật tổng hợp, đặc biệt là những kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các tínhchất hóa học và vật lý để phân biệt giữa các thành phần khác nhau Ví dụ, các quytrình phân đoạn vật lý tiêu chuẩn được sử dụng trong ngành dầu khí là các quy trìnhchưng cất và xử lý dung môi, cũng như hấp phụ bằng vật liệu hoạt động bề mặt Cácquy trình hóa học phụ thuộc vào các phản ứng cụ thể, chẳng hạn như sự tương tác củaolefin với axit sulfuric hoặc các loại hình thành chất cộng khác nhau

Phân đoạn hóa học thường nhưng không phải lúc nào cũng thành công do tính chấtphức tạp của dầu thô Điều này có thể dẫn đến các phản ứng hóa học vô cớ có ảnhhưởng xấu đến quá trình phân đoạn và dữ liệu thu được Thật vậy, nên thận trọng khi

sử dụng các phương pháp liên quan đến việc tách các thành phần bằng hóa học

Thứ tự sử dụng một số phương pháp phân đoạn được xác định không chỉ bởi bản chấthoặc thành phần của dầu thô mà còn bởi hiệu quả của một quy trình cụ thể và tínhtương thích của nó với các quy trình tách khác được sử dụng Vì vậy, mặc dù có nhiềukhác biệt về bản chất của dầu thô (Chương 1 và 2), đã có nhiều nỗ lực nhằm đưa racác phương pháp tiêu chuẩn để phân đoạn dầu mỏ Tuy nhiên, các phòng thí nghiệmkhác nhau có xu hướng tuân thủ chặt chẽ và thúc đẩy các phương pháp cụ thể củariêng họ Việc thừa nhận rằng không một phương pháp cụ thể nào có thể đáp ứng tất

cả các yêu cầu của việc phân đoạn dầu mỏ là bước đầu tiên trong bất kỳ nghiên cứuphân đoạn nào Điều này phần lớn là do tính phức tạp của dầu mỏ không chỉ từ sựphân bố của các loại hydrocarbon (Chương 8) mà còn từ sự phân bố của các loạinguyên tử khác loại (nitơ, oxy và lưu huỳnh) (Chương 9)

Mục đích của chương này là trình bày tổng quan về các phương pháp đã được áp dụng

để tách dầu mỏ Điều này dẫn đến sự hiểu biết không chỉ về sự phân tách dầu mỏ màcòn về đặc tính của dầu mỏ Cả hai yếu tố đều có mối quan hệ rất chặt chẽ với khảnăng chế biến của dầu mỏ (van Nes và van Westen, 1951; Traxler, 1961)

9.2 CHƯNG CẤT:

Chưng cất là phương pháp tách các hợp chất hóa học (thường là chất lỏng) thông qua

sự khác biệt về áp suất hơi của chúng Lý thuyết chưng cất đã chiếm lĩnh nhiều vănbản lớn và chỉ được thảo luận ngắn gọn ở đây (Halvorsen và Skogestad, 2000;Petyluk, 2004; Lei và cộng sự, 2005)

Chưng cất đơn giản chỉ có hiệu quả khi tách một chất lỏng dễ bay hơi khỏi một chấtkhông bay hơi hoặc khi tách hai chất lỏng có điểm sôi khác nhau từ 50°C trở lên Nếuchất lỏng bao gồm hỗn hợp đang được chưng cất có điểm sôi gần nhau hơn 50°C thìphần chưng cất thu được sẽ giàu hợp chất dễ bay hơi hơn nhưng không đến mức cầnthiết để tách hoàn toàn các hợp chất riêng lẻ Như vậy, trong hỗn hợp các thành phầnbay hơ ivà hơi có thành phần được xác định bởi tính chất hóa học của hỗn hợp Có thểchưng cất một thành phần nhất định nếu hơi có tỷ lệ thành phần nhất định cao hơn hỗnhợp Điều này là do thành phần này có áp suất hơi cao hơn và điểm sôi thấp hơn cácthành phần khác

Mức tối thiểu trong quá trình chưng cất là chưng cất nhanh, trong đó nhiệt độ tăngnhanh hoặc áp suất giảm và do đó thu được các phần hơi và chất lỏng, có thể được xử

lý như vậy Thiết bị được sử dụng trong quá trình chưng cất được gọi là thiết bị tĩnh

và bao gồm tối thiểu một nồi đun lại (nồi) trong đó nguyên liệu nguồn được làm nóng,một bình ngưng trong đó hơi nóng được làm lạnh trở lại trạng thái lỏng và một bìnhchứa trong đó chất lỏng cô đặc hoặc tinh khiết được thu thập

Thiết bị có thể ảnh hưởng đến việc phân tách bằng một trong hai phương pháp chính.Đầu tiên, hơi thoát ra từ hỗn hợp đun nóng có thể bao gồm hai chất lỏng có điểm sôikhác nhau đáng kể Do đó, hơi thoát ra phần lớn là chất lỏng này hoặc chất lỏng kia,sau khi ngưng tụ và thu gom sẽ ảnh hưởng đến sự phân tách Thứ hai, chưng cất phânđoạn có thể cần thiết và hiệu quả hơn trong việc tách các chất lỏng có điểm sôi tương

tự Phương pháp này dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ tồn tại trong giai đoạn ngưng tụcủa thiết bị Thông thường trong kỹ thuật này, người ta sử dụng bình ngưng thẳngđứng hoặc cột và bằng cách loại bỏ các sản phẩm chưng cất ở dạng lỏng ở các độ caokhác nhau trên cột, có thể tách các chất lỏng có điểm sôi khác nhau Khoảng cách ápdụng gradient nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ càng lớn thì việc phân tách càng dễdàng và hoàn thiện hơn

Ý tưởng cơ bản đằng sau quá trình chưng cất phân đoạn cũng giống như quá trìnhchưng cất đơn giản, chỉ có điều quá trình này được lặp lại nhiều lần Nếu quá trìnhchưng cất đơn giản được thực hiện trên hỗn hợp chất lỏng có độ bay hơi tương tự, thìsản phẩm chưng cất thu được sẽ tập trung nhiều hơn vào hợp chất dễ bay hơi hơn hỗnhợp ban đầu nhưng nó vẫn chứa một lượng đáng kể hợp chất có điểm sôi cao hơn.Nếu sản phẩm chưng cất của quá trình chưng cất đơn giản này được chưng cất lại thìsản phẩm chưng cất thu được sẽ lại tập trung nhiều hơn ở hợp chất có điểm sôi thấphơn, nhưng một phần của sản phẩm chưng cất sẽ là hợp chất có điểm sôi cao hơn Nếuquá trình này được lặp lại nhiều lần, cuối cùng sẽ thu được sản phẩm chưng cất khátinh khiết Tuy nhiên, việc này sẽ mất rất nhiều thời gian Trong quá trình chưng cấtphân đoạn, hơi hình thành từ hỗn hợp sôi bay lên cột phân đoạn, nơi chúng ngưng tụtrên lớp đệm của cột Quá trình ngưng tụ này tương đương với một lần chưng cất đơngiản; chất ngưng tụ tập trung ở hợp chất có nhiệt độ sôi thấp hơn hỗn hợp trong bìnhchưng cất Khi hơi tiếp tục bay lên qua cột, chất lỏng đã ngưng tụ sẽ bốc hơi Mỗi lầnđiều này xảy ra, hơi sinh ra ngày càng tập trung nhiều hơn vào các chất dễ bay hơihơn Chiều dài của cột phân đoạn và vật liệu được đóng gói dưới tác động của nó sốlần hơi sẽ ngưng tụ trước khi đi vào bình ngưng; số lần cột hỗ trợ điều này được gọi là

số đĩa lý thuyết của cột

Do quy trình chưng cất đơn giản rất giống với quy trình chưng cất phân đoạn nên thiết

bị được sử dụng trong quy trình cũng rất giống nhau Sự khác biệt duy nhất giữa thiết

bị được sử dụng trong quá trình chưng cất phân đoạn và thiết bị được sử dụng trongquá trình chưng cất đơn giản là với quá trình chưng cất phân đoạn, một cột phân đoạnđược đóng gói được gắn vào phía trên bình chưng cất và bên dưới thiết bị ngưng tụ.Điều này tạo ra diện tích bề mặt nơi hơi bốc lên ngưng tụ và sau đó bốc hơi

Do đó, cột phân đoạn cung cấp gradient nhiệt độ cho quá trình chưng cất diễn ra.Trong điều kiện lý tưởng, nhiệt độ trong bình chưng cất sẽ bằng nhiệt độ sôi của hỗnhợp chất lỏng và nhiệt độ ở đỉnh cột phân đoạn sẽ bằng nhau đến nhiệt độ sôi của hợpchất có nhiệt độ sôi thấp hơn; tất cả các hợp chất có điểm sôi thấp hơn sẽ là chưng cất

đi trước bất kỳ hợp chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn Trong thực tế, các phần của sản

phẩm chưng cất phải được thu thập vì khi quá trình chưng cất diễn ra, nồng độ củahợp chất sôi cao hơn trong sản phẩm chưng cất được thu thập tăng đều đặn Các phầncủa sản phẩm chưng cất được thu thập trong một phạm vi nhiệt độ nhỏ, về cơ bản sẽđược tinh chế; một số phân số nên được thu thập như nhiệt độ thay đổi và những phầnchưng cất này phải được chưng cất lại để khuếch đại sự thanh lọc đã xảy ra.

Chưng cất là một phương pháp phổ biến để phân đoạn dầu mỏ được sử dụng trongphòng thí nghiệm cũng như trong các nhà máy lọc dầu Kỹ thuật chưng cất đã đượcthực hiện trong nhiều thế kỷ và các thiết bị chưng cất được sử dụng có nhiều dạng(Speight và Ozum, 2002; Speight, 2011) Người ta đã thừa nhận ngay từ những ngàyđầu của ngành công nghiệp lọc dầu, sản phẩm mong muốn (dầu hỏa) được sử dụnglàm dầu đèn Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi quá trình chưng cất trở thànhquá trình được lựa chọn để lọc dầu và quá trình này đã phát triển từ các thiết bị chưngcất đơn giản đến nhiều đĩa phức tạp vẫn được sử dụng trong ngành lọc dầu (Chương17)

Một nhà máy lọc dầu hiện đại sử dụng các thiết bị chưng cất liên tục, trong đó nguyênliệu thô được đưa đến thiết bị chưng cất mọi lúc và các sản phẩm được rút ra cùng lúc

Ý tưởng của quá trình chưng cất liên tục là lượng đi vào bình tĩnh và lượng ra khỏibình tĩnh phải luôn bằng nhau tại bất kỳ thời điểm nào Các nhà máy lọc dầu cũ hơn(và thậm chí một số đơn vị xử lý hiện đại) sử dụng phương pháp chưng cất theo mẻ,trong đó lượng nguyên liệu vào bình tĩnh và lượng sản phẩm rời khỏi bình thườngkhông giống nhau và thỉnh thoảng vẫn được nạp lại Do đó, máy chưng cất sẽ đổ đầynồi tĩnh ngay từ đầu, sau đó làm nóng nó, theo thời gian hơi sẽ ngưng tụ để tạo ra sảnphẩm Khi đã thu đủ số lượng sản phẩm được chỉ định, máy chưng cất sẽ dừng thiết bịchưng cất và đổ hết sản phẩm ra để sẵn sàng cho mẻ mới

Việc tách bằng cách chưng cất diễn ra theo độ bay hơi, không nhất thiết phải theotrọng lượng phân tử So sánh điểm sôi của 2-hydroxypyridine (280°C/760 mmHg,535°F/760 mmHg) và 4-hydroxypyridine (257°C/10 mm Hg, 495°F/10 mmHg) minhhọa cấu trúc phân tử (và hậu quả của cấu trúc này) ảnh hưởng đến điểm sôi Nói mộtcách tổng quát hơn và không có bất kỳ ảnh hưởng liên kết nào đi kèm, điểm sôithường tăng theo trọng lượng phân tử trong mỗi chuỗi tương đồng Tuy nhiên, sự khácbiệt giữa các điểm sôi trong các chuỗi tương đồng khác nhau là khá đáng kể Ví dụ,naphten decahydronaphthalene (decalin) hai vòng có 10 nguyên tử cacbon (trọnglượng phân tử 138) sôi ở 195°C (383°F), nhưng decan parafin thông thường gồm 10nguyên tử cacbon (trọng lượng phân tử 142) sôi ở 174°C (345°F)

Do đó, nếu một chất lỏng được chứa trong một không gian kín, nó sẽ phát ra hơi chođến khi đạt đến áp suất của hơi liên quan đến nhiệt độ của hệ; hơi sau đó được bãohòa Áp suất hơi của một chất lỏng tiếp xúc với chất lỏng của chính nó là không đổi vàkhông phụ thuộc vào lượng chất lỏng và hơi có trong hệ thống Áp suất hơi thườngđược biểu thị bằng chiều cao của cột thủy ngân (tính bằng milimét hoặc inch) tạo ra ápsuất tương đương

Áp suất hơi của chất lỏng tăng khi nhiệt độ tăng và khi áp suất hơi bằng tổng áp suấttác dụng lên bề mặt chất lỏng thì chất lỏng sôi Do đó, điểm sôi của chất lỏng có thểđược định nghĩa là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất bên ngoài tácdụng lên bề mặt chất lỏng Áp suất bên ngoài này có thể được tạo ra bởi không khí

trong khí quyển, bởi các loại khí khác, bởi hơi nước và không khí, v.v Điểm sôi ở ápsuất 760 mm không khí thường được gọi là điểm sôi bình thường.

Điểm sôi của chất lỏng nguyên chất có giá trị xác định và không đổi ở áp suất khôngđổi, nhưng điểm sôi của chất lỏng không tinh khiết ở một mức độ nào đó phụ thuộcvào bản chất của tạp chất Nếu tạp chất không bay hơi, chất lỏng sôi ở nhiệt độ khôngđổi và tạp chất vẫn còn sót lại khi chất lỏng được chưng cất Tuy nhiên, nếu tạp chất

dễ bay hơi thì điểm sôi tăng dần khi chất lỏng chưng cất hoặc có thể giữ nguyênkhông đổi ở một giai đoạn chưng cất cụ thể do sự hình thành hỗn hợp có điểm sôikhông đổi của hai hoặc nhiều thành phần

Đặc điểm chung của tất cả các quá trình chưng cất là xu hướng nồng độ của thànhphần dễ bay hơi hơn trong pha hơi lớn hơn nồng độ trong pha lỏng khi hai pha tiếpxúc với nhau Trong quá trình chưng cất đơn giản, việc làm giàu thành phần dễ bayhơi hơn đạt được bằng cách làm bay hơi một phần hỗn hợp chất lỏng, bằng cách tăngnhiệt độ hoặc giảm áp suất và cho phép hai pha tách ra

Nghiên cứu về hầu hết các vấn đề chưng cất liên quan đến việc ướctính sự phân bố của các hỗn hợp giữa các pha lỏng và hơi Sự phân

bố của bất kỳ thành phần nào của hỗn hợp Giải pháp giữa các phalỏng và hơi được xác định bởi tỷ lệ cân bằng (đối với các giải pháp lýtưởng)

Ở đây,

YA: là phần mol của thành phần A trong pha hơi

XA: là phần mol của thành phần A trong pha lỏng

PA: là áp suất hơi của thành phần A tinh khiết ở nhiệt độ hệthống

P: là tổng áp suất

Do đó, sự phân bố của một thành phần giữa hơi và dung dịch có thểđược biểu thị dưới dạng hàm của nhiệt độ và áp suất Nếu một dungdịch lý tưởng chứa các thành phần của áp suất hơi khác nhau ở mộtnhiệt độ cụ thể, pha hơi ở trạng thái cân bằng với pha lỏng ở nhiệt

độ này tương đối phong phú hơn trong các thành phần dễ bay hơihơn Pha lỏng tương đối phong phú hơn trong các thành phần ít bayhơi hơn, các thành phần có áp suất hơi thấp hơn và có thể đạt được

sự tách biệt một phần của các thành phần Pha hơi tách ra được cho

là chưng cất ở nhiệt độ này và dung dịch các điểm sôi liên tục,chẳng hạn như dầu mỏ, có thể được tách ra bằng nhiều giai đoạnchưng cất thành các phần; Mỗi phần có phạm vi sôi tương đối hẹpnhưng trên thực tế, có thể chứa nhiều thành phần

Trong số các phương pháp chưng cất phổ biến, có hai loại chính: (1)chưng cất cột và (2) chưng cất đường ngắn (Chương 10).

Chưng cất cột (chế độ hàng loạt) được thực hiện ở áp suất cao, ở ápsuất khí quyển và ở áp suất giảm.Áp suất cao được sử dụng chủ yếutrong các nhà máy chưng cất lọc dầu quy mô lớn với các chưng cấtsôi thấp và dẫn đến nhiệt độ chưng cất cao hơn

Trong chưng cất đường ngắn (còn gọi là chưng cất phân tử) (chế độliên tục), chân không rất cao được áp dụng và mẫu đi qua nhanhchóng dưới dạng màng rất mỏng trên bề mặt nóng Các phân tử nhẹhơn bay hơi và ngưng tụ trên một bề mặt được làm mát nằm trongvòng 1 in.(2–3 cm) bề mặt ngưng tụ Chân không phải đủ cao đểđảm bảo rằng chiều dài đường đi tự do trung bình của một phân tửchưng cất ngắn hơn khoảng cách giữa bề mặt được làm nóng và làmmát

Phần lớn các quy trình chưng cất được thực hiện trong phòng thínghiệm được thực hiện trong các cột đóng gói Hiệu quả của cộtchưng cất được đo bằng số lượng khay hoặc tấm lý thuyết của nó vàcon số này càng cao thì hiệu quả của nó càng cao.Nói chung, sốlượng tấm lý thuyết tỷ lệ thuận với chiều dài cột.Đối với hầu hết cácbao bì cột trong chưng cất trong phòng thí nghiệm, chiều cao củamột tấm lý thuyết gần bằng đường kính của cột

Một tấm lý thuyết trong chưng cất là một phần giả thuyết của mộtcột tạo ra sự khác biệt tương tự về thành phần của chưng cất tăngdần như tồn tại ở trạng thái cân bằng giữa hỗn hợp lỏng và hơi của

nó Nó hoạt động như một khay nắp bong bóng lý tưởng Bao bì cungcấp một diện tích bề mặt lớn cho trào ngược giảm dần Khi hơi bốclên tiếp xúc với chất lỏng giảm dần, một số thành phần sôi cao hơncủa nó chuyển sang trào ngược và một số thành phần sôi thấp hơnchuyển từ chất lỏng sang hơi

Do đó, hơi đến đỉnh của phần tấm lý thuyết chứa một lượng vật liệusôi cao thấp hơn so với khi nó đi vào ở phía dưới và thành phần nhẹhơn của nó được làm giàu tương ứng.Mặt khác, trào ngược để lại tấm

lý thuyết ở phía dưới chứa một lượng vật liệu sôi cao hơn so với khi

nó ở trên cùng Bây giờ chúng ta so sánh thành phần của pha lỏng ởtrên cùng với thành phần của pha lỏng ở phía dưới Nếu phần thực

sự có chiều dài của một tấm lý thuyết, thì thành phần của pha lỏng ởđỉnh của nó bằng với thành phần hơi (lý thuyết) ở trạng thái cânbằng với chất lỏng ở phía dưới

9.2.1 Áp suất khí quyển:

Chưng cất là một phương pháp phổ biến để phân đoạn dầu mỏ được

sử dụng trong phòng thí nghiệm cũng như trong các nhà máy lọcdầu Kỹ thuật chưng cất đã được thực hiện trong nhiều thế kỷ và

người ta đã thừa nhận ngay từ những ngày đầu của ngành côngnghiệp lọc dầu rằng sản phẩm mong muốn (dầu hỏa như dầu đèn)

có thể được tách ra bằng cách chưng cất Vì vậy, không có gì đángngạc nhiên khi quá trình chưng cất trở thành quá trình được lựa chọn

để lọc dầu và quá trình này đã phát triển từ các thiết bị chưng cấtđơn giản đến nhiều đĩa phức tạp vẫn được sử dụng trong ngành lọcdầu (Chương 15)

Quá trình chưng cất đã được ứng dụng rộng rãi trong khoa học vàcông nghệ dầu mỏ nhưng nhìn chung người ta thừa nhận rằng cácphân đoạn được tách ra bằng quá trình chưng cất hiếm khi phù hợp

để gọi tên là sản phẩm dầu mỏ Mỗi loại thường yêu cầu một số mức

độ tinh chế, tất nhiên mức độ này thay đổi tùy theo tạp chất trongphân đoạn và các đặc tính mong muốn của thành phẩm (Chương24) Tuy nhiên, chưng cất là quá trình phân đoạn quan trọng nhất đểtách hydrocarbon dầu mỏ; nó là một phần thiết yếu của bất kỳ hoạtđộng lọc dầu nào và sẽ tiếp tục như vậy trong vài thập kỷ tới(Speight, 2011)

Tuy nhiên, trong chừng mực dầu mỏ là hỗn hợp của hàng nghìn(hoặc thậm chí nhiều hơn) các hợp chất hóa học riêng lẻ, thì có rất ít

sự nhấn mạnh về mặt thương mại đối với việc tách các thành phầnriêng lẻ Mục đích của việc chưng cất dầu mỏ chủ yếu là đánh giábản chất và độ bay hơi của của vật liệu thông qua việc tách thànhnhiều phần có phạm vi sôi rộng Việc phân đoạn ban đầu của dầuthô về cơ bản bao gồm việc chưng cất nguyên liệu thành các phầnkhác nhau, như được minh họa bằng quy trình chưng cất được sửdụng cho các thông số kỹ thuật về phạm vi sôi của dầu mỏ (Chương9) Các phần mà dầu thô thường được tách ra (Chương 17) khácnhau tùy thuộc vào bản chất và thành phần của dầu thô; thực sự,như thuật ngữ chỉ ra có sự chồng chéo đáng kể giữa các phân sốkhác nhau Các phần dầu hỏa (dầu bếp) và dầu khí nhẹ thường đượcgọi là phần chưng cất giữa và thường đại diện cho phần cuối cùngđược tách ra bằng cách chưng cất ở áp suất khí quyển Điều này đểlại các phần từ dầu khí nặng và vật liệu có nhiệt độ sôi cao hơn đượcgọi chung là dầu thô khử Thiết bị chưng cất khí quyển (ống tĩnh khíquyển) là thiết bị chưng cất chứa một số lượng lớn các đĩa lý thuyết

và các dòng bên được lấy ra ở các độ cao khác nhau lên tháp chưngcất Dầu mỏ được hóa hơi một phần hoặc toàn bộ trong lò nung vàsau đó được đưa xuống đáy bình chứa khí quyển Tháp chưng cấttách dầu mỏ theo điểm sôi, nghĩa là trọng lượng phân tử, với cácthành phần có trọng lượng phân tử thấp hơn, dễ bay hơi hơn tậptrung ở đầu cột và các thành phần có trọng lượng phân tử cao hơn, ítbay hơi hơn tập trung ở đáy cột Naphtha là tiền chất hóa học củaxăng và có nhiệt độ sôi trong cùng khoảng, trong khi cặn khí quyển

có điểm sôi ban đầu khoảng 350°C (660°F) Phần cặn khí quyển cóthể được chưng cất thêm trong thiết bị chưng cất chân không

9.2.2 Giảm áp suất:

Việc tách dầu thô đã khử thành các phần cấu thành đòi hỏi giai đoạnchưng cất tiếp theo phải được thực hiện dưới áp suất giảm Cácthành phần có nhiệt độ sôi cao hơn trải qua quá trình phân hủy nhiệt

ở nhiệt độ trên 350°C (660°F) Điều này sẽ dẫn đến sự phân mảnhphân tử dẫn đến các sản phẩm dễ bay hơi (không có trong dầu thô)

và tạo thành than cốc Để tránh những phản ứng nhiệt này, cần phảigiảm áp suất khi thực hiện quá trình chưng cất, và vì áp suất hơi vànhiệt độ có liên quan với nhau nên việc giảm áp suất đi kèm với việcgiảm điểm sôi tương ứng của các thành phần riêng lẻ Ví dụ mộthợp chất cụ thể sôi ở nhiệt độ gần 350°C (660°F) ở áp suất 1 atm(760 mmHg) có thể sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100°C (180°F) (khoảng250°C, 480°F) ở 25 30 mmHg, và nguy hiểm của sự phân hủy nhiệt.cũng như các tương tác nhiệt khác, bị giảm đi rõ rệt, nếu khôngmuốn nói là bị loại bỏ

Thiết bị chưng cất chân không (ống tĩnh chân không) là thiết bịchưng cất chứa số lượng đĩa lý thuyết nhỏ hơn thiết bị chưng cất khíquyển và một lần nữa, các dòng bên được lấy ra ở các độ cao khácnhau lên tháp chưng cất Phần cặn khí quyển được phân tách để tạo

ra các phần trên như dầu khí chân không và sản phẩm chưng cấtdầu bôi trơn, còn đáy là phần cặn chân không có nhiệt độ sôi banđầu khoảng 565°C (1050°F), tính theo atmo áp suất hình cầu.Lượng các phần khác nhau thu được từ quá trình chưng cất phụthuộc vào bản chất của dầu thô, được phản ánh trong biểu đồ điểmsôi (Hình 9.2) Rõ ràng, đặc tính của dầu mỏ rất quan trọng đối vớinhà máy lọc dầu trong việc đáp ứng nhu cầu sản phẩm của kháchhàng cũng như xác định những yêu cầu xử lý tiếp theo đối với sảnphẩm chưng cất Ví dụ, sản phẩm chưng cất từ một loại dầu thô (vídụ: dầu thô Louisiana) là nguyên liệu thích hợp cho dầu bôi trơn vàcác sản phẩm đặc biệt Mặt khác, sản phẩm chưng cất từ một loạidầu thô khác (ví dụ: dầu thô Bachaquero) phù hợp hơn để sử dụnglàm dầu nhiên liệu Do đó, phạm vi sôi của dầu mỏ cùng với chấtlượng của nó rất quan trọng đối với nhà máy lọc dầu trong việc đápứng các sản phẩm mà hầu hết các nhà máy lọc dầu phải có khảnăng đáp ứng bất kỳ thay đổi nào chất lượng nguyên liệu bằng cáchđiều chỉnh các phương án tinh chế Trong phòng thí nghiệm (nhưngkhông phải lúc nào cũng thực tế trong nhà máy lọc dầu), có thể đạtđược áp suất thấp hơn bằng cách sử dụng cột rỗng hoặc cột dảiquay Với những điều này, độ giảm áp suất đủ nhỏ để có thể duy trì

áp suất thấp trong nồi hơi lại Ví dụ, với áp suất chưng cất là 0,1mmHg, người ta có thể có áp suất 0,5-1 mmHg trong nồi đun lại, vềmặt lý thuyết, cho phép thu thập các sản phẩm chưng cất có điểmcắt AET cao tới 560°C (1050°F)

b) Tính chất của cặn 565˚C + :

Louisia

na Bachaqu ero

Trọng lực, API 13.1 2.8 Lưu huỳnh, % trọng lượng 0.9 3.71 Nito, % trọng lượng 0.4 0.6 Conradson carbon, % trọng

lượng 15.8 27.5Niken, ppm 20 100 Vanadi, ppm 8 900 Điểm đông đặc, ˚C 55

Hình 9.2 (a) Hồ sơ chưng cất và (b) đặc tính dư lượng đối với dầu

thô Louisiana và Bachaquero

Tất nhiên, điểm sôi thực tế quan sát được trong quá trình chưng cấtnày thấp hơn nhiều Mặc dù áp suất thấp, nồi nấu lại có thể phảiđược làm nóng ở nhiệt độ cao tới 370°C (700°F) đối với các sảnphẩm chưng cất có nhiệt độ sôi cao như vậy

Từ điểm sôi thực tế thu được ở áp suất giảm, cái gọi là nhiệt độtương đương khí quyển (AET) được tính toán tại đó vật liệu sẽ sôidưới áp suất khí quyển nếu nó ổn định và không bị phân hủy Điềunày cung cấp cơ sở chung cho việc phân loại và so sánh trực tiếpcác thành phần dầu mỏ trên toàn bộ phạm vi bay hơi có thể tiếp cậnđược bằng chưng cất khí quyển và chân không

Trong sản phẩm chưng cất, các tính chất vật lý và hóa học được biết

là chỉ thay đổi dần dần theo điểm sôi, cho phép nội suy và thậm chíngoại suy một cách chắc chắn hợp lý Bất cứ khi nào phạm vi sảnphẩm chưng cất được mở rộng, trước tiên bằng phương pháp chưng

cất chân không, sau đó bằng phương pháp chưng cất đường ngắn,các phần chưng cất mới của phần cặn không thể chưng cất trước đó

sẽ tuân theo các mô hình tương tự như các sản phẩm chưng cấttrước đó Mối quan hệ về số lượng carbon hoặc trọng lượng phân tử,hoặc nồng độ lưu huỳnh và nitơ, có thể được mở rộng dễ dàng sangcác khu vực mới Tính liên tục như vậy không có gì đáng ngạc nhiênnhưng rất có thể xét đến bản chất của tiền chất dầu mỏ và quá trìnhtrưởng thành hóa học Do đó, dữ liệu có thể được ngoại suy quađường phân chia giữa sản phẩm chưng cất và cặn, ngay cả trongnhững phạm vi vẫn nằm ngoài các phép đo chính xác

Để thay thế cho phương pháp chưng cất cột rỗng hoặc dây quayhoặc để cắt sâu hơn nữa vào kho, có thể sử dụng phương phápchưng cất đường ngắn chân không cao Các tên gọi khác của kỹthuật này là chưng cất phân tử và/hoặc chưng cất màng lau mặc dù

kỹ thuật này thường được thực hiện trong điều kiện chân khôngkhông đủ và do đó thuộc một loại khác

Đặc điểm quan trọng nhất của đường truyền ngắn là độ chân khôngrất cao ít nhất là 10-3 mmHg để đảm bảo rằng chiều dài đường đi tự

do trung bình của các phân tử trong pha khí là khoảng 2-3 cm, đó làkhoảng cách giữa thiết bị bay hơi và bề mặt ngưng tụ Những điềukiện này cho phép nhiệt độ chưng cất thấp hơn nhiều so với các cột

mở thông thường ở cùng nhiệt độ bề mặt Mẫu được trải thành mộtmàng rất mỏng trên bề mặt bay hơi để bay hơi nhanh và thời gianlưu trú ngắn Sự kết hợp giữa chân không cao, khoảng cách ngắn vàthời gian lưu ngắn cho phép chưng cất rất sâu mà không bị phânhủy Các phiên bản hiện đại của các thiết bị tĩnh điện đường dẫnngắn này có thể phân tách dầu đạt đến điểm sôi tương đương trongkhí quyển là 700°C (1300 F) với tốc độ thông lượng khá cao Ví dụ,đường dẫn ngắn của phòng thí nghiệm DISTACT nhỏ vẫn có tốc độkhoảng 100-800 mL/h với thời gian lưu trú dưới một phút Các nhàmáy sản xuất lớn có thể hoạt động với công suất lên tới 300 L/m2/h

9.2.3 Chưng cất azeotropic và chiết:

Liên kết hóa học giữa các thành phần của hỗn hợp tạo ra các đặctính độc đáo cho hỗn hợp Nếu hệ thống hình thành các azeotrope,như trong hệ benzen và cyclohexane, thì một vấn đề khác sẽ nảysinh - thành phần azeotropic hạn chế sự phân tách và để phân táchtốt hơn, azeotrope này phải được bỏ qua theo một cách nào đó Tạiđiểm đẳng phí, hỗn hợp chứa thành phần đã cho với cùng tỷ lệ vớihơi, do đó sự bay hơi không làm thay đổi độ tinh khiết và quá trìnhchưng cất không ảnh hưởng đến quá trình phân tách Ví dụ, rượuetylic và nước tạo thành azeotrope (hỗn hợp azeotropic) ở 78,2°C

Nếu cần phải tách các thành phần riêng lẻ khỏi bản thân dầu mỏhoặc khỏi các sản phẩm dầu mỏ thì phương pháp chưng đẳng phí có