Nhiên liệu dầu khí P2 pdf

3 Phương pháp chưng cất nóng Người ta thổi cát dầu cùng với không khí vào thiết bị tách để cung cấp nhiệt cho quá trình tách.. Từ dầu than đá thô, bằng cách chưng cất tiếp tục người ta

Hình 5

Sơ đồ nhà máy lọc dầu Nghi Sơn - Thanh Hóa

2.3 Sản xuất nhiên liệu từ cát bitum (Bituminous Sands)

Dầu mỏ hay các sản phẩm tự nhiên tương tự được tìm thấy trong cát hay khoáng sét ở lớp tương đối gần của vỏ Trái Đất được gọi là cát bitum Có nơi cát bitum lộ thiên gồm dầu asphalt rất nhớt và nước trộn với cát, bùn và sét Tỉ lệ dầu/nước = 12÷16 / 3÷15 tính theo phần trăm

Việc tách dầu ra khỏi hỗn hợp cát, bùn và sét rất khó khăn nhưng đến nay người ta đã tìm được phương pháp tách dầu này Tất cả các loại dầu tách được đều là các loại dầu asphalt Tỉ trọng của chúng thay đổi từ 1,4 ÷ 1,5 và nhiệt trị của dầu vào khoảng 9990

kcal/kg Như vậy, các dầu thu được là dầu rất nặng Khi chưng cất thông thường người ta chỉ thu được 5% phân đoạn sôi dưới 180°C

Có 3 phương pháp tách dầu ra khỏi cát Đó là phương pháp tách bằng nước nóng, tách bằng nước lạnh và chưng cất

1) Phương pháp tách bằng nước nóng

Cát bitum được trộn với 10% (theo trọng lượng) nước nóng ở 85°C Sau đó làm ngập bằng nước nóng hơn rồi để yên Dầu nổi lên được gạn ra khỏi bể chứa Bằng phương pháp này người ta có thể thu hồi được 80% dầu Hỗn hợp nổi lên chứa 5% khoáng tự nhiên và 30% nước

2) Phương pháp tách bằng nước lạnh

Cát bitum trộn với nước lạnh theo tỉ lệ 1/3 và một lượng dầu hoả (kerosine) bằng lượng dầu trong cát trong sự có mặt của kiềm và tác nhân dính ướt Dầu nổi lên, được gạn

ra và để yên Hiệu suất thu hồi theo phương pháp này đạt tới 95% nhưng dầu thô vẫn còn chứa tới 3% các khoáng tự nhiên

3) Phương pháp chưng cất nóng

Người ta thổi cát dầu cùng với không khí vào thiết bị tách để cung cấp nhiệt cho quá trình tách Dầu được đốt nóng và tách ra khỏi cát, sét Dầu thu được qua phương pháp chưng cất nóng thường có khối lượng riêng khoảng 0,955 g/cm3 và có các tính chất sau đây:

- Hàm lượng nước: 0,2%

- Hàm lượng tro: 0,7%

- Hàm lượng lưu huỳnh: 4,2%

- Cặn cacbon Conradson: 6,0%

- Độ nhớt: 157 centistocks ở 21°C

Các phần chưng cất:

- 5% ở 180°C

- 10% ở 230°C

- 50% ở 340°C

- 80% ở 360°C

Bằng cách cất trực tiếp, người ta có thể thu được 15% naphta, 85% dầu madút Dầu madút này rất dễ bị phá vỡ ở 350°C

2.4 Sản xuất nhiên liệu từ dầu nham phiến

Dầu có trong nham phiến đạt trữ lượng khá lớn trên thế giới Trữ lượng lớn nhất về dầu nham phiến là ở Liên Xô (trước đây) và Mỹ Nham phiến chứa dầu là một loại đá có mầu nâu tới màu đen Khi phơi nắng có mầu xám tối Nham phiến này cứng, giòn và giữ nguyên dạng của nó khi chưng cất mặc dù cấu trúc lớp của đá rất rõ ràng

Để tách dầu lấy từ nham phiến, người ta dùng phương pháp chưng cất với hơi nước Lượng hơi nước được đưa vào tới 40% Sau đó nham phiến thô được chưng cất tới cốc trong các nồi chưng ống Nồi chưng cốc cuối cùng cho sản phẩm bão hoà và bền vững hơn Phép chưng cất này cho xăng thô, dầu không chứa sáp, dầu có sáp Sáp được thu hồi bằng cách nén cho kết tinh ở ≈ −10°C Hai sản phẩm không chứa sáp được tinh luyện bằng cách

xử lí với kiềm hoặc axit và cất lấy dầu điezel Dầu điezel gồm hầu hết các parafin và có chất lượng cao, chỉ số xetan cao, nhưng lại không thích hợp cho xăng động cơ vì chỉ số octan thấp (khoảng 58) Sáp được tinh luyện, được tẩy trắng và được chế tạo thành nến và được dùng như một nhiên liệu

2.5 Sản xuất nhiên liệu từ dầu than đá

Khi chưng cất khan (không có không khí) than đá ta sẽ thu được dầu than đá Từ dầu than đá thô, bằng cách chưng cất tiếp tục người ta thu được các nhiên liệu sau:

Xăng động cơ ở phân đoạn cuối của dầu creosote thu được bằng cách xử lí thứ cấp với hiđro

Benzen chỉ thu được một phần từ nhựa than đá Phần lớn hơn có thể thu được bằng cách xử lí khí than đá với hơi nước Nhựa than đá chứa các hiđrocacbon đa nhân hoà tan trong benzen

Không giống các dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ, dầu than đá có chứa một tỉ lệ lớn các hợp chất chứa oxi (dưới dạng phenol), nitơ dưới dạng các bazơ hữu cơ Các thành phần nguyên tố chính của dầu than đá từ cùng một than nhưng cách tách nhiên liệu khác nhau cũng cho các kết quả khác nhau (bảng 13)

Các dầu than đá nhiệt độ thấp khác đáng kể dầu than đá nhiệt độ cao như khối lượng riêng thấp hơn, không có naphten

Bảng 13

Thành phần nguyên tố chính của dầu than đá theo điều kiện chưng

cất

Thành phần nguyên

tố (%) Nồi cất nằm ngang Nồi cất thẳng đứng Cất ở nhiệt độ thấp

Những tính chất khác của dầu than đá là:

- Nhiệt trị thay đổi trong giới hạn tương đối nhỏ;

- Hệ số dãn nở thay đổi rất ít;

- Nhiệt dung riêng của dầu than đá thay đổi từ 0,30 ÷ 0,4 cal/g.độ ở 40°C và nhiệt dung riêng của các dầu và dầu than đá thay đổi từ 0,3 ÷ 0,38 ở 15 ÷ 40°C

Chương 3

CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN NHIÊN

3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút)

Như trên đã trình bày, dầu madút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không Các dầu FO có điểm sôi cao Trong kĩ thuật đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và FO nặng Vì thế, các đặc trưng hoá học của dầu madút có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc trưng này ảnh hưởng tới việc sử dụng chúng làm nhiên liệu và các kỹ thuật sử dụng để đạt hiệu quả cao

Một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu madút là độ nhớt được xác định ở

những nhiệt độ quy định, ví dụ ở 20°C và 50°C Nói chung các từ “nặng” và “nhẹ” được sử dụng để mô tả các nhiên liệu dầu madút có độ nhớt cao và thấp tương ứng Những dầu cặn

có độ nhớt cao (> 7000 giây) thông thường phải trải qua bước crackinh nhẹ để phá vỡ những phân tử nặng và do đó làm giảm độ nhớt của dầu Quá trình này cũng gây nên sự

thất thoát dầu dưới dạng khí và quá trình được gọi là visbreaking

Tính chất quan trọng thứ hai của dầu madút là điểm chớp cháy Điểm chớp cháy cực

tiểu của tất cả các dầu là 65,5°C (~ 150°F)

Tính chất quan trọng thứ 3 của dầu madút là hàm lượng nước Bởi vì các dầu nặng có

tỉ trọng gần bằng tỉ trọng của nước nên phải giữ dầu không tiếp xúc với nước trong quá trình sản xuất và bảo quản vì nếu lẫn nước rất khó tách ra khỏi dầu Tính chất cuối cùng là các dầu không được chứa cặn sa lắng bởi vì các cặn này sẽ tập trung dần dần ở đáy bể chứa

Vì thế, yếu tố cơ bản trong việc sử dụng các dầu madút là khống chế sự cháy của chúng và chọn lọc cấp dầu cho mục đích sử dụng thích hợp về mặt kĩ thuật như kích thước buồng đốt cháy, bản chất của thiết bị, kiểu cách và kích thước thiết bị đốt, phương pháp phun nhiên liệu Dĩ nhiên, giá cả cũng là một yếu tố bởi vì việc sử dụng các dầu có độ nhớt cao cần cung cấp nhiệt cho các ống đốt nóng trong các bể chứa, do đó các trạm tiêu thụ sẽ

có giá thành cao

3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt

Dầu cấp cho lò đốt trong công nghiệp cần phải khan nghĩa là loại bỏ hết các hạt nước phân tán trong dầu và các hạt rắn trong đó Nhưng hầu hết các thiết bị cung cấp không thể đáp ứng được yêu cầu này Khi dầu được cấp bằng cách rót từ các bể chứa thì thông thường phải sử dụng một cặp bể Ở đây, ta phải đốt nóng bằng hơi nước để tăng cường việc tách nước và tăng cường độ chảy lỏng của dầu Sở dĩ người ta phải dùng kỹ thuật đốt nóng vì: Ở nhiệt độ thường, việc tách các hạt nước trong dầu rất chậm do sự khác nhau về

khối lượng riêng giữa chúng rất nhỏ và với độ nhớt cao của dầu thì các hạt lơ lửng này vẫn tồn tại không thể loại hết được Khi đốt nóng dầu có hai thay đổi rõ ràng xảy ra: (1) độ nhớt của dầu bị giảm đi rất nhanh và (2) dầu dãn nở nhiều hơn nước và vì thế sự khác nhau

về khối lượng riêng trở nên lớn Những hệ số dãn nở tương đối của dầu nặng và của nước tương ứng là 0,00070 /độ và 0,000476 /độ, vì thế cần đốt nóng để tách được nước ra khỏi dầu

Dầu có thể được đốt nóng sơ bộ đến trên điểm chớp cháy nhưng phải ở dưới áp suất cao và cơ bản là phải đạt được độ mềm để dầu có thể chảy hay phun qua các van Nhiệt độ của dầu phải đồng đều và áp suất phải giữ không đổi

Khi phun không khí hay dầu thì việc cấp dầu có thể thực hiện từ một bể chứa nhiên liệu hay nhiều bể ở độ cao đủ để tạo thành dòng chảy cần thiết Vì các dầu rất nhớt không thể phun một cách có hiệu quả nên việc đốt nóng là cần thiết Thông thường để đốt nóng người

ta dùng một thiết bị đốt nóng bằng hơi nước bố trí ngay trên đường cấp dầu

Trong thực tế nhiệt độ cần thiết để bơm dầu là: 38 ÷ 120°C (100 ÷ 250°F) còn nhiệt độ cần thiết để phun dầu vào lò đốt là: 65,5 ÷ 150°C (150 ÷ 300°F) Ví dụ, dầu có khả năng bơm được ở nhiệt độ 38°C có độ nhớt khác nhau thì nhiệt độ bơm thay đổi như sau:

Độ nhớt, ở 38 °C (st) Nhiệt độ bơm, °C

200 7,5

600 15,5

1500 27,0 Trong các thiết bị phun bằng áp suất, các thiết bị lọc được trang bị giống hệt nhau ở cả hai phía hút và đẩy của máy bơm dầu Lưới lọc trong thiết bị lọc của phía hút có kích thước mắt lỗ lớn hơn so với lưới ở phía phun Thông thường cỡ lưới phụ thuộc vào độ lỏng của dầu được sử dụng Do kĩ thuật phát triển, ngày nay người ta dùng các thiết bị lọc khác hiệu quả hơn việc dùng lưới lọc như thiết bị lọc dòng chảy (streamline filter) hay thiết bị lọc “Autoclean” Trong thiết bị lọc Autoclean, dầu đi từ bên ngoài qua nhiều tấm thép mỏng đã được khoan lỗ với khoảng hở rất nhỏ giữa các lỗ Giữa các tấm thép có nhiều dao bằng thép mỏng được giữ cố định Khi dầu đi qua thiết bị này các cặn bẩn bị giữ lại và rơi vào bồn chứa, sau đó bị loại ra ngoài

3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu

Để dầu cháy hoàn toàn thì dầu phải trộn thật đều với không khí Về mặt lý thuyết, điều này có thể thực hiện khá dễ dàng đối với hơi dầu, song rất khó thực hiện được đối với các dầu nặng Vì để hoá hơi dầu, phải tăng nhiệt độ, mà tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến phá vỡ phân

tử dầu và tạo nên cặn cốc trong thiết bị hoá hơi và thiết bị đốt cháy bằng kim loại Tuy nhiên, vẫn có thể áp dụng được đối với các dầu có nhiệt độ sôi thấp như dầu hoả, dầu trung gian Người ta có thể thực hiện được sự hoá hơi bằng cách cho một lượng không khí thích hợp vào thiết bị hoá hơi

Với các dầu nặng hơn (như dầu FO nặng, nhẹ) có thể dùng các máy phun khác nhau để chuyển dầu thành các hạt nhỏ với không khí đưa vào lò đốt Để tăng diện tích tiếp xúc

dầu/không khí người ta dùng thiết bị phun cỡ cực đại từ 1 ÷ 1,5 nghìn lỗ trên một cm2 Ngoài ra lò đốt còn có nhiệm vụ:

- Nâng nhiên liệu từ một mức thấp hơn lên mức cao hơn

- Đưa vào một phần hay tất cả hỗn hợp nhiên liệu/không khí được trộn đều với một tốc độ sao cho động lượng của nó sẽ kéo theo một lượng không khí phụ cần thiết để có được độ dài ngọn lửa mong muốn

- Giữ tuyến lửa bền vững và ngọn lửa thích hợp với hình dạng của lò

- Hoàn chỉnh sự cháy của những giọt dầu nhỏ trước khi ngọn lửa bị làm lạnh tới khi khói bốc lên

Nếu lò cho một ngọn lửa nghiêng một góc hẹp, tốc độ cao thì không khí cháy bị hút vào ngọn lửa do tác dụng của thiết bị phun

3.1.3 Yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút (FO)

Đối với các dầu madút, yếu tố quan trọng hàng đầu là nhiệt trị cao, điểm chớp cháy cao, không có vết nước và các hạt rắn Ngoài những yếu tố này ra, cần phải lựa chọn dầu cho thích hợp với những điều kiện đặc biệt để sử dụng và lưu trữ dầu Nếu việc tàng trữ phải đốt nóng không có khả năng thực hiện được thì nên chọn dầu có độ nhớt thấp Nếu việc đốt nóng có khả năng thực hiện được thì các dầu nặng hơn và rẻ hơn có thể sử dụng được, thêm vào đó kiểu lò cũng có ý nghĩa trong việc chọn lựa

Ví dụ, ở Anh những yêu cầu ở trên được chia thành các cấp độ khác nhau và các cấp

độ cũng có thể bị thay đổi Với các dầu madút dùng cho động cơ đi biển của Anh như sau:

Điểm chớp cháy (min), °C 65 65 65 65

Độ nhớt , Redwood I ở 380°C, mm 2 / s(max) 250 450 2500 7000 Hàm lượng nước (max), % 1 1 1,5 1,5 Nhiệt trị, kcal / kg (min) 10120 9990 9990 9990 Trong các yêu cầu kĩ thuật đối với dầu madút thì yếu tố độ nhớt là quan trọng nhất, bởi vì độ nhớt thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ Nếu ở nhiệt độ thấp, độ nhớt lớn thì không thể điều khiển được sự chảy của dầu

Hàm lượng lưu huỳnh và tro không quan trọng lắm trong nhiều ứng dụng, song nếu dùng làm nhiên liệu luyện kim thì hàm lượng lưu huỳnh và tro có thể ảnh hưởng tới vật liệu bị đốt nóng, tức là các sản phẩm luyện kim

Một yếu tố quan trọng cuối cùng đó là phải xem xét xem dầu madút đó là dầu chưng cất hay dầu cặn, bởi vì dầu cặn có chứa một tỉ lệ cao asphalt mà dầu chưng cất không có Những loại dầu này được dùng trong các mục đích khác nhau để không ảnh hưởng tới vật liệu chịu đốt nóng

3.2 Xăng động cơ

Trước khi nền công nghiệp ôtô phát triển, nhiên liệu thu được chỉ bằng cách chưng cất dầu thô Phân đoạn naphtha được chưng cất lại cho xăng có khoảng nhiệt độ sôi trong một vùng nhất định Đó là sản phẩm cuối để đưa vào sử dụng Việc tinh luyện bằng cách rửa với axit và kiềm nhằm mục đích loại bỏ những lượng nhỏ các olefin và cải thiện màu của xăng Việc chưng cất trực tiếp dầu thô là bước xử lí đầu tiên dầu thô và phần xăng động cơ được gọi là xăng trực tiếp (Straight run spirit) Xăng này là phân đoạn tương đối không bị biến đổi của dầu thô nguyên thuỷ

Vì nhu cầu của xăng ôtô, máy bay ngày càng tăng nên hiệu suất xăng, chất lượng xăng cần phải ngày càng được cải thiện Vì thế, công nghiệp lọc dầu đã đưa vào các quá trình crackinh các phân đoạn dầu nặng, refominh phân đoạn naphtha nặng, polime hoá các olefin nhẹ, ankyl hóa isobutan bằng các olefin Bằng các phương pháp này sản lượng xăng động

cơ thu được từ dầu mỏ tăng lên, và chất lượng xăng cũng tăng Vì những biến đổi hoá học

kể trên nên tên gọi các xăng thu được từ công nghiệp lọc hoá dầu khá phức tạp

3.2.1 Xăng tự nhiên (natural gasoline - casing - head spirit)

Xăng tự nhiên hay xăng thu được từ khí giếng dầu Khí giếng dầu chứa chủ yếu 5 hiđrocacbon parafin (từ C1 đến C5) Ngoài ra, còn có thêm một lượng nhỏ hiđrocacbon phân nhánh và vòng có điểm sôi rất gần với các hiđrocacbon parafin ở trên (bảng 14)

Bảng 14

Những tính chất của các hiđrocabon trong khí giếng dầu

Nhiệt độ sôi ( °C) Nhiệt độ tới hạn ( °C) Áp suất tới hạn (at)

Về ý nghĩa thực tế và kinh tế: hai hiđrocacbon đầu tiên không thể ngưng tụ còn các hiđrocacbon khác cao hơn đều có thể thu hồi được Thông thường chỉ những hiđrocacbon cao hơn propan tạo nên xăng tự nhiên

Có ba phương pháp được sử dụng để thu hồi hiđrocacbon ngưng tụ:

1 - Nén theo các giai đoạn và làm lạnh

2 - Hấp thụ vào trong dầu sau đó giải hấp thụ lấy hiđrocacbon

3 - Hấp phụ trên than hoạt động

Các quá trình (1) và (2) là phổ biến nhất Quá trình thu hồi được điều khiển để đảm bảo thu hồi hoàn toàn các pentan và tất cả các hiđrocacbon cao hơn Trong quá trình đó,

một tỉ lệ đáng kể butan đã hoà tan vào trong đó và như vậy sản phẩm có một áp suất hơi có thể là quá cao đối với xăng ôtô Một xăng tự nhiên không chứa butan có áp suất hơi Reid là 1,4 kg/cm2 ở 38°C; nhưng nếu xăng chứa 25% butan thì áp suất hơi Reid sẽ tăng lên tới 2,3 kg/cm2 Trong xăng không có butan thì tỉ lệ các hiđrocacbon được tạo nên như sau: các pentan lớn gấp hai lần hexan, hexan lớn hơn hai lần so với heptan và octan bằng heptan Công dụng chính của xăng tự nhiên là dùng để sản xuất các xăng theo yêu cầu của thị trường bằng cách trộn xăng tự nhiên với các xăng khác Vì mục đích này áp suất hơi của xăng hỗn hợp càng cao càng tốt, vì người ta thấy rằng áp suất hơi càng cao thì chỉ số octan càng cao

3.2.2 Xăng thu được bằng cách cất trực tiếp từ dầu thô

Thành phần hoá học của xăng cất trực tiếp đã tinh luyện được nghiên cứu cẩn thận hơn nhiều so với bất kỳ phân đoạn nào của dầu mỏ Các xăng này gồm các hiđrocacbon parafin, naphten và aromat Chúng không chứa các olefin hay các dẫn xuất vòng của propan, butan hay heptan Các dẫn xuất vòng có thể là xiclopentan và xiclohexan, thậm chí

có cả benzen và toluen Tỉ lệ các loại hiđrocacbon thay đổi rất rộng tuỳ theo nguồn dầu (xem bảng 15)

Như vậy, các naphten và parafin là các cấu tử chính Xăng cất trực tiếp từ dầu parafin rất giàu parafin (~70%); dầu trung gian có hàm lượng parafin tới 50%, còn dầu thô asphalt

có hàm lượng parafin khoảng 3% trong xăng cất trực tiếp Các xăng giầu naphten và aromat không phổ biến Dầu thô Borneo cho xăng cất trực tiếp giàu hiđrocacbon aromat

Bảng 15

Thành phần của các xăng cất trực tiếp phụ thuộc vào nguồn dầu

Thành phần (%) Khối lượng riêng

ở 15 °C (g/cm 3 )

Điểm kết thúc ( °C)

Aromat Naphten Parafin

Xăng cất trực tiếp thường lấy trong giới hạn từ 40°C ÷ 200°C Trong khoảng nhiệt độ này những hiđrocacbon cao cũng bay hơi tạo nên thành phần của xăng (bảng 16)

Bảng 16 Các hiđrocabon trong xăng cất trực tiếp

+ Các n-parafin

Công thức Nhiệt độ sôi ( °C) Khối lượng riêng ở 20 °C (g/cm 3 )

Nhiệt dung riêng (cal/g °C) Nhiệt hoá hơi (cal/g)

Pentan C 5 H 12 37 0,63 - 85,5

-+ Các naphten

Công thức Nhiệt độ sôi

( °C) Khối lượng riêng ở 20 °C (g/cm 3 )

Nhiệt dung riêng (cal/g °C) Nhiệt hoá hơi (cal/g) Xiclo-pentan

Xiclo-heptan

-Xiclo-nonan

-Chúng ta thấy rằng đối với một xăng, tỉ lệ của phần cất càng cao ở một nhiệt độ thấp thì mức độ bay hơi của xăng càng cao Nhưng xăng cất trực tiếp theo kiểu này bản thân nó chưa thể là xăng thích hợp cho động cơ ôtô vì các đặc trưng sử dụng của xăng chưa thỏa mãn

3.2.3 Xăng crackinh và xăng refominh

Những đặc trưng cơ bản của một xăng ôtô là gì ?

Những đặc trưng này gồm hai loại:

1 - Những đặc trưng gắn liền với đường cong chưng cất (xem phụ lục 2);

2 - Những đặc trưng gắn thành phần hoá học của các hiđrocacbon có mặt trong xăng

Để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta theo dõi quá trình của xăng từ bình chứa tới khi ra khỏi động cơ đốt trong

Xăng đi tới bộ chế hoà khí qua ống dẫn Nếu xăng quá dễ bay hơi, nó sẽ hoá hơi một phần dưới tác dụng của nhiệt toả ra từ động cơ và hình thành trong ống dẫn những bọt khí Bọt khí này làm gián đoạn dòng xăng chảy vào bộ chế hoà khí Bởi vậy, cần thiết phải điều chỉnh ngay tại nhà máy lọc dầu áp suất hơi của xăng ở dưới một giới hạn thích hợp mà áp suất này trong mùa đông sẽ cao hơn mùa hè

Xăng tiếp tục đi qua bộ chế hoà khí tạo nên một hỗn hợp với không khí Người ta dễ dàng nhận thấy rằng dạng của đường cong chưng cất xăng có một ảnh hưởng đáng kể trước