Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm phần 1 pdf

Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngày càng tăng và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phải đưa ra nhiều quá trình sản xuất kh

Chương I

NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu cho động cơ xăng

Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa nhiều các hợp chất khác nhau Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ, phân đoạn dầu mỏ nói chung hay của xăng thương phẩm nói riêng người ta thường chia thành phần của nó thành hai nhóm chất chủ yếu đó là các hợp chất hydrocacbon

và các hợp chất phi hydrocacbon

Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩm quan trọng của nhà máy lọc dầu,

nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như hoạt động sản xuất trong công nghiệp

Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơ Diesel (được phát minh ra đồng thời ở Pháp và Đức vào khoảng 1860), nó đã phát triển mạnh mẻ từ sau những năm 50 của thế kỷ trước Với nền công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại như ngày nay đã cho ra đời nhiều chủng loại với công suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người

Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ xăng, nhu cầu về xăng nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệu những cơ hội và cả những thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợi ích mà động cơ này mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môi trường sinh thái

Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt mà còn phải bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường

Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau: Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp

Động cơ hoạt động không bị kích nổ

Không kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí

Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu

Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất

Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ

Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt

Xăng nhiên liệu thu nhận được trong các nhà máy lọc dầu, ban đầu chỉ từ phân xưởng chưng cất khí quyển, tuy nhiên hiệu suất thu xăng từ quá trình này rất thấp chỉ vào khoảng 15% khối lượng dầu thô ban đầu

Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này không đủ để cung cấp cho các nhu cầu thực tế, vì vậy bắt buộc con người phải chế biến các phần thu khác nhằm thu hồi xăng với hiệu suất cao hơn, điều này đã làm xuất hiện các phân xưởng khác như phân xưởng crắckinh, alkyl hoá

Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngày càng tăng

và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phải đưa ra nhiều quá trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các yêu cầu của xăng thương phẩm

Thực tế trong các nhà máy lọc dầu hiện nay xăng thương phẩm được phối trộn từ những nguồn sau:

Xăng của quá trình FCC

Reformat

Xăng chưng cất trực tiếp

Xăng của quá trình isomer hoá

Alkylat

Xăng của quá trình giảm nhớt, cốc hoá, các quá trình xử lý bằng hydro

Xăng thu được từ các quá trình tổng hợp như Methanol, Ethanol, MBTE

Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phôi trộn, phần còn lại phụ

thuộc vào yêu cầu về chất lượng của xăng và yêu cầu của từng Quốc gia mà nguồn nguyên liệu và hàm lượng của nó được chọn khác nhau

Ví dụ:

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Mỹ (trước năm 2000)

34,7

4 4,7 13

1,8 5,6

Isomerisat Alkylat/Polymerisat Ether

Butan Xăng FCC

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Tây Âu (trước năm 2000)

49,6

7,6 5 5,9 1,8 5,7

27,1

Reformat Naphta nh?

Isomerisat Alkylat/Polymerisat Ether

Butan Xăng FCC

- Tỷ lệ phối trộn ở Pháp từ năm 2000

Reformat 35% < < 45%

Xăng FCC 15% < < 25%

Xăng isomer hoá 0% < < 15%

Alkylat 0% < < 20%

MTBE 0% < < 5% (trường hợp đặc biệt <15%)

1.2 Thành phân hoá học của nhiên liệu xăng

1.2.1 Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng

Như phần trên vừa nêu, xăng thương phẩm không phải là sản phẩm của một quá trình nào đó trong nhà máy lọc dầu mà nó là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ một số nguồn khác nhau, kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động của động cơ trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện vận chuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau

Thành phần hoá học chính của xăng là các hydrocacbon có số nguyên tử từ C4÷

C10 thậm chí có cả các hydrocacbon nặng hơn như C11, C12 và cả C13.Ngoài ra trong thành phần hoá học của xăng còn chứa một hàm lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơ và oxy

Với số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả

ba họ hydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong xăng

Mặc dù trong thành phần của dầu mỏ ban đầu không có các hợp chất không no như ôlêfin nhưng trong quá trình chế biến đã xãy ra quá trình cắt mạch hình thành nên các hợp chất đói này, do đó trong thành phần hoá học của xăng thương phẩm còn có mặt các hợp chất đói

Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của

một loại xăng super thương phẩm

Thành phần tính theo khối lượng

Số nguyên

tử cacbon

Parafin % Naphten% Olefin% Diolefin% Aromatic% Tổng %

4 1.46 0 0.59 0 0 2.05

5 11.64 0.18 3.16 0.06 0 15.04

6 12.27 1.03 2.09 0.06 2.22 17.67

Các cấu tử không xác định chiếm 2.26%

Các giá trị được cung cấp bởi IFP

Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của

một loại xăng thường thương phẩm

Thành phần tính theo khối lượng

Số

nguyên tử

cacbon N-parafin

%

Isoparafin

%

Naphten

%

Olefin

%

Aromatic

%

Hợp chất chứa oxy %

Tổng

%

11 0 0.1 0 0 0.25 0 0.35

12 0 0.61 0 0 0 0 0.61

13 0 0.01 0 0 0 0 0.01

Tổng 8.29 31.1 2.92 35.49 18.66 3.5 99.96

Các cấu tử không xác định chiếm 0.4%

Các giá trị được cung cấp bởi IFP

1.2.2 Thành phần hoá học của xăng

Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon

1.2.2.1 Thành phần hydrocacbon của xăng

Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i-parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl

Olefin

Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ các quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá Các olefine này cũng bao gồmhai loại n-parafin và iso-parafin

Họ naphtenic

Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thức chung là: CnH2n và các vòng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có thể có nhánh hoặc không

có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn, trong đó các hợp chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, những đồng phân này thường

có nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủ yếu là gốc metyl (-CH3)

Họ aromatic

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba

họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó

1.2.2.2 Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất của O2, N2, S Trong các hợp chất này thì người ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường

Trong xăng, S chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của

nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả quá trình xử lý HDS

Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong

đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ở dạng phenol và đồng đẳng

1.3 Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng

1.3.1 Xăng của quá trình reforminh xúc tác

Xăng thu được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat Đây là nguồn nguyên liệu chính để phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứa một hàm lượng các hợp chất aromatic cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95- 102)

1.3.2 Xăng cracking xúc tác:

Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu Trị số octane của xăng này khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ Thành phần hóa học chứa tới 9- 13% hydrocacbon olefine Sự có mặt của của các olefine này chính là nguyên nhân làm mất tính ổn định của xăng

1.3.3 Xăng chưng cất trực tiếp:

Phân xưởng chưng cất ở áp suất khí quyển là một phân xưởng quan trọng nhất trong nhà máy lọc dầu có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành nhiều phân đoạn khác nhau Phần hơi thu được ở đỉnh sau khi ổn định ta sẻ thu được xăng Loại xăng chưng cất trực tiếp này có chỉ số octan thấp khoảng 54- 65 nên chỉ dùng một lượng ít để phối trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5 và C6) và xăng nặng Phần xăng nhẹ thường làm nguyên liệu cho quá trình isomer hoá còn phần xăng nặng làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác

1.3.4 Alkylat

Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sản suất xăng có trị số octane cao Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phối liệu có trị số

octane cao hầu như không có tạp chất và các hợp chất aromatic đáp ứng yêu cầu sản suất xăng sạch bảo đảm các yêu cầu về động cơ và môi trường

1.3.5 Các nguồn phối liệu khác

Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồn khác như: xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa đây là các sản phẩm phụ của các quá trình

Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn, xăng kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no

Cùng các loại xăng trên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây ô nhiễm môi trường trong khói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng các cấu tử được tổng hợp từ các phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE, TAME, methanol, ethanol để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi

1.4 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng

1.4.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng

Động cơ xăng là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của nhiên liệu khi bị đốt cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay Động cơ này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy nổ và giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hành trình 1-Kỳ nạp

Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở, xupap thải đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ0 = 0 đến 1800 Trong kỳ nạp tiêu tốn công kéo piston xuống, thể tích xi lanh tăng lên, áp suất trong xi lanh giảm xuống tạo sự chênh lệch áp suất, do đó xăng và không khí từ bộ chế hoà khí được hút vào trong xi lanh Để tăng lượng kkí nạp trong mỗi chu kỳ thì khi piston đi từ ĐCT xuống, xupap nạp được mở sớm trước ĐCT một góc ϕ1= 10÷450 và đóng muộn sau ĐCD một góc

ϕ2 = 40-800 Vì vậy, quá trình nạp trên đồ thị công là: I-a-II, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ1 + 1800 + ϕ2

Đồ thị công và

đồ thị phối khí

Hành trình 2-Kỳ nén

Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, cả hai xupap nạp và thải đều đóng, trục khuỷu quay

từ vị trí 1800 ÷ 3600 Trong kỳ nén tiêu tốn công piston đi lên nén hỗn hợp, thể tích xi lanh giảm trong điều kiện hai van đóng nên áp suất hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh tăng lên Để chuẩn bị cho quá trình cháy được tốt thì gần cuối quá trình nén Bugi bật tia lửa điện sớm trước ĐCT, tại điểm c' Do vậy, quá trình nén trên đồ thị công là từ điểm II - c'

Hành trình 3 - cháy - giãn nở (kỳ công tác)

Piston đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xupap đều đóng, trục khuỷu đi từ vị trí ϕ =

3600 đến 5400 Trong hành trình này, nhờ quá trình cháy làm tăng áp lực trong buồng cháy và áp lực này đẩy piston đi xuống và sinh công, nó bao gồm hai quá trình: cháy

và giãn nở Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c' trước ĐCT một góc đánh lửa sớm ϕ = ϕ1

= 10-300 và kết thúc tại điểm d sau ĐCT, còn quá trình giãn nở bắt đầu từ điểm d và

kết thúc tại III

Hành trình 4 - thải khí cháy ra ngoài

Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupap thải mở, xupap nạp đóng, trục khuỷu quay từ

vị trí ϕ = 5400 đến 7200 Trong kỳ thải tiêu tốn công đưa piston đi lên và đẩy sản vật cháy ra ngoài Xupap thải được mở sớm tại điểm III trước ĐCD một góc ϕ3, nếu ϕ3

quá lớn sẽ tăng tổn thất công giãn nở ở kỳ cháy Để quá trình thải triệt để các sản vật cháy ra ngoài, xupap thải đóng muộn sau ĐCT một góc ϕ4, tại điểm IV Quá trình thải được biểu diễn trên đồ thị công là III-b-IV, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ3+1800+ ϕ4, còn đoạn I-r-IV gọi là đoạn trùng điệp, tức cả hai van nạp

và thải đều mở

Như vậy, toàn bộ chu trình công tác được thực hiện theo bốn hành trình trong hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hành trình này chỉ có một hành trình cháy và giãn nở là sinh công, còn ba hành trình khác thì phải tiêu tốn công

1.4.2 Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng

Từ việc phân tích hoạt động của động cơ xăng ở trên ta rút ra được những đặc điểm của động cơ này như sau:

Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh nó đã được phối trộn với không khí để tạo hỗn hợp cháy, như vậy độ bay hơi của xăng trong buồng cháy không phải là vấn

đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình cháy

Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khi màng lửa lan truyền đến

Khi bugie bật lửa thì quá trình cháy bắt đầu, lúc này hỗn hợp trong buồng cháy được chia thành hai phần: Phần thứ nhất là khí cháy, phần thứ hai là hỗn hợp của không khí và nhiên liệu chưa cháy (hỗn hợp công tác), trong điều kiện nhiệt

độ và áp suất cao với sự có mặt của oxy không khí thì các hydrocacbon của nhiên liệu sẻ bị biến đổi một cách sâu sắc, cụ thể là chúng sẻ bị oxy hoá để tạo thành các hợp chất có khả năng tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền đến Trong trường hợp này, nếu như phần nhiên liệu tự bốc cháy nhiều thì nó sẻ làm tăng áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và gây ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy kích nổ

1.5 Chỉ tiêu chất lượng của xăng

Ngày nay động cơ đã trở thành một bộ phận quan trọng trong đời sống sản xuất

và sinh hoạt của con người Bên cạnh những lợi ích to lớn mà chúng mang lại thì động

cơ cũng đồng thời thải một lượng rất lớn chất độc hại ra môi trường gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái Vì vậy, cần thiết phải đặt ra những quy định nhằm hạn chế việc thải các độc hại và thực hiện các quy định này một cách nghiêm túc

Ở gốc độ của nhiên liệu thì cần phải đặt ra cho xăng thương phẩm những chỉ tiêu nhằm bảo đảm được chất lượng đối với người sử dụng và hạn chế được lượng chất độc hại trong khói thải

1.5.1 Hiện tượng kích nổ và chỉ số octan

1.5.1.1 Hiện tượng kích nổ

Như vừa nêu ở trong phần trước, khi bugie bật lửa thì quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng cháy mới được bắt đầu tại bugie còn phần nhiên liệu nằm ở vị trị khác chỉ được cháy khi màng lửa lan truyền đến Tuy nhiên trong thực tế có một phần nhiên liệu trong buồng cháy bị oxy hoá dẫn đến quá trình tự bắt cháy khí màng lửa chưa lan truyền đến Nếu như phần nhiên liệu tự bắt cháy này đủ lớn để làm tăng nhiệt

độ và áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và tạo ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại thì quá trình cháy này được gọi

là cháy kích nổ

Như vậy, trong buồng cháy luôn tồn tại một sự cạnh tranh giữa quá trình cháy

do màng lửa lan đến (cháy cưỡng bức) và quá trình tự bốc cháy, quá trình cháy nào chiếm ưu thế là phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau

Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được thời gian của quá trình tự bốc cháy theo công thức sau:

D = A P -n EXP(B/T)

Trong đó: A,B là các hằng số thực nghiệm