tính chất hóa lý của dầu thô và sản phẩm dầu

Các tính chất lý – hóa của dầu thô và sản phẩm dầu Thành phần chưng cất phân đoạn Tỷ trọng Phân tử lượng Áp suất hơi bão hòa Độ nhớt Nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ bắt cháy và nhiệt độ tự bắt cháy Điểm anilin Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ nóng chảy Tính chất nhiệt

CHƯƠNG 1:

TÍNH CHẤT HÓA –

LÝ CỦA DẦU THÔ VÀ

SẢN PHẨM DẦU

Các tính chất lý – hóa của dầu thô và sản phẩm dầu

1 Thành phần chưng cất phân đoạn

1 Thành phần cất (thành phần chưng cất phân đoạn)

- Khái niệm dùng để biểu diễn phần trăm bay hơi theo nhiệt

độ (hoặc nhiệt độ theo % thu được) khi tiến hành chưng cất mẫu trong thiết bị chuẩn theo những điều kiện xác định

- Nhiệt độ sôi đầu

- Nhiệt độ sôi cuối

- Nhiệt độ phân hủy

- Nhiệt độ sôi 10%, 50%, 90%, 95%

Ý nghĩa của việc xác định thành phần chưng cất

- Đánh giá thành phần hóa học của xăng;

- Ảnh hưởng đến khả năng khởi động, khả năng tăng tốc và khả năng cháy hoàn toàn trong

buồng cháy.

Sơ đồ chưng cất để xác định thành

phần phân đoạn

Thiết bị chưng cất ASTM

1 Bể làm lành; 2 Ống hứng sản phẩm; 3 Bệ đỡ ống đong hứng sản phẩm; 4 Vị trí đặt bình cầu; 5 Núm điều chỉnh vị trí cao thấp của bình cầu; 6 Công tắt; 7 Núm điều chỉnh nhiệt độ.

7

1

2

3

Phân đoạn xăng cracking xúc tác:

Ảnh hưởng đến khả năng khởi động của động cơ

Khả năng khởi động của động cơ ở nhiệt độ thấp phụ thuộc nhiệt độ sôi đầu, nhiệt độ sôi 10%, 20%, 30%

• Khoảng nhiệt độ này càng thấp, động cơ càng dễ khởi

động

• Nhưng nếu quá thấp => tạo nút hơi, thiếu hụt xăng cung cấp cho động cơ => quá trình cháy không hoàn toàn và tạo

ra nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường

• Nếu quá lớn => xăng khó bay hơi, động cơ khó khởi động nguội.

Ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc của động cơ

Yêu cầu đối với nhiên liệu khi động cơ tăng tốc:

lượng nhiên liệu nạp vào phải đủ lớn và bay hơi nhanh

để đảm bảo cho quá trình cháy cung cấp nhiệt => khả năng nhanh chóng đạt được tốc độ cần thiết khi mở van tiết lưu và quá trình đốt nóng động cơ.

Nhiệt độ cất 50% càng nhỏ thì độ bay hơi càng tốt vì dễ dàng tăng số vòng quay của động cơ lên mức tối đa

trong thời gian ngắn nhất, tạo điều kiện cho quá trình cháy tốt.

Ảnh hưởng đến khả năng cháy hết của nhiên liệu

Nhiệt độ sôi cuối, 90%, 95%

- Nếu những nhiệt độ này quá cao

=> quá trình cháy sẽ không hoàn toàn

Ảnh hưởng:

- Gây ô nhiễm môi trường

- Làm loãng màng dầu bôi trơn

- Gây mài mòn xilanh, piston.

Yêu cầu về khoảng nhiệt độ sôi của các nhiên liệu khác nhau

1 Đối với xăng động cơ

Tosôi đầu max 35oC Tosôi (10%V) max 70oC Tosôi (50%V) max 140oC Tosôi (90%V) max 190oC Tosôi cuối max 205oC

Yêu cầu về khoảng nhiệt độ sôi của các nhiên liệu khác nhau

2 Đối với nhiên liệu phản lực

Tosôi đầu max 150oC Tosôi

(10%V)

max 175oC

Tosôi (50%V)

max 225oC

Tosôi (90%V)

max 270oC Tosôi cuối max 280oC

Yêu cầu về khoảng nhiệt độ sôi của các nhiên liệu khác nhau

3 Đối với nhiên liệu diezel:

Tosôi (50%V)

max 290oC

Tosôi (90%V)

max 370oC

Đường cong chưng cất Engler

2 KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG

- Khối lượng riêng là khối lượng của một chất trong một đơn vị

thể tích

Đơn vị: kg/m3 hay g/cm3

- Tỷ trọng là tỉ lệ giữa trọng lượng riêng của sản phẩm dầu ở nhiệt

độ t2 so với nước ở nhiệt độ t1 Đại lượng này không có thứ nguyên

Một số tỷ trọng: ;

- Tỷ trọng của dầu là khối lượng của dầu so với khối lượng của nước ở cùng một thể tích và nhiệt độ xác định

•

KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG

Tỷ trọng –là thông số đặc trưng cho bản chất hóa học, nguồn gốc và chất lượng của dầu thô

Ngoài ra người ta còn sử dụng thể tích

riêng (là đại lượng nghịch đảo của trọng

lượng riêng) cm3/g hay m3/tấn.

Mối liên quan giữa một số tỷ trọng

KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG

- Trọng lượng riêng trung bình của các sp dầu:

Với ρ1, ρ2,…, ρn – tỷ trọng của các hợp phần

V1, V2,…, Vn – thể tích của chúng

•

Sự phụ thuộc của tỷ trọng vào nhiệt độ:

+ – tỷ trọng của sản phẩm dầu ở nhiệt độ t;

+ – tỷ trọng của sản phẩm dầu ở nhiệt độ chuẩn (200C);

+ α – hệ số hiệu chỉnh cho sự thay đổi trọng lượng riêng khi nhiệt độ thay đổi 10C.

•

Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ trung bình của tỷ trọng cho các sản phẩm dầu

0.6700 0.6799 0.000937 0.7800 0.7899 0.000792 0.8900 0.8999 0.000647 0.6800 0.6899 0.000924 0.7900 0.7999 0.000778 0.9000 0.9099 0.000633 0.6900 0.6999 0.000910 0.8000 0.8099 0.000765 0.9100 0.9199 0.000620 0.7000 0.7099 0.000897 0.8100 0.8199 0.000752 0.9200 0.9299 0.000607 0.7100 0.7199 0.000884 0.8200 0.8299 0.000738 0.9300 0.9399 0.000594 0.7200 0.7299 0.000870 0.8300 0.8399 0.000725 0.9400 0.9499 0.000581 0.7300 0.7399 0.000857 0.8400 0.8499 0.000712 0.9500 0.9599 0.000567 0.7400 0.7499 0.000844 0.8500 0.8599 0.000699 0.9600 0.9699 0.000554 0.7500 0.7599 0.000831 0.8600 0.8699 0.000686 0.9700 0.9799 0.000541 0.7600 0.7699 0.000818 0.8700 0.8799 0.000673 0.9800 0.9899 0.000522 0.7700 0.7799 0.000805 0.8800 0.8899 0.000660 0.9900 0.9999 0.000515

Sự phụ thuộc của tỷ trọng sản phẩm dầu lỏng

vào nhiệt độ

KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG

Khí Khối lượng

riêng

Tỷ trọng (theo không khí)

Khí Khối lượng

riêng

Tỷ trọng (theo không khí)

n-butan 2,703 2,091 Dioxyt cacbon 1,977 1,521

Propylen 1,915 1,481

3 PHÂN TỬ LƯỢNG

- * Phân tử lượng của dầu thô và sản phẩm dầu là một trong những chỉ số quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong tính toán nhiệt hóa hơi, thể tích hơi,

áp suất riêng phần và thành phần hóa học của các phân đoạn hẹp …

- Công thức của Voinov B.P.: M = a + bt + ct2

+ a, b, c – là các hằng số có giá trị khác nhau đối với từng nhóm hydrocacbon.

+ t – nhiệt độ sôi trung bình phân tử của sản phẩn dầu, 0C

PHÂN TỬ LƯỢNG

• Trong phép tính xác định kích thước lò phản ứng, tháp bay hơi và tháp chưng cất cần biết thể tích mol của sản phẩm dầu hoặc hơi của nó

• Thể thích mol của chất lỏng được tính theo công thức:

 

PHÂN TỬ LƯỢNG

- Thể tích hơi còn có thể xác định theo phương trình Claipeiron:

•

m – khối lượng hơi, kg;

M – phân tử lượng của sản phẩm dầu;

– áp suất trong hệ, atm;

P – áp suất khí quyển, atm;

t – nhiệt độ, oC.

 

Đồ thị để xác định phân tử lượng các sản phẩm dầu phụ

thuộc vào tỷ trọng và nhiệt sôi trung bình phân tử

Đồ thị để xác định phân tử lượng các sản phẩm dầu phụ thuộc vào thừa số

đặc trưng K và nhiệt sôi trung bình phân tử

4 ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA

• Áp suất hơi là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất các phân tử trong pha lỏng có xu hướng thoát khỏi

bề mặt của nó để chuyển sang pha hơi ở nhiệt độ nào đó

• Áp suất hơi bão hòa – áp suất mà tại đó thể hơi cân bằng với thể lỏng

Áp suất hơi bão hòa càng lớn thì độ bay hơi của nhiên liệu càng cao

Thiết bị đo áp suất hơi

Xác định áp suất hơi bão hòa

1 Hệ thống ổn nhiệt; 2 Đồng hồ đo áp suất; 3 Khoang hơi; 4 Khoang chứa mẫu

1

2

3

4

5 ĐỘ NHỚT

- Độ nhớt là tính chất của một chất lỏng, được xem là ma sát nội của chất lỏng.

- Nguyên nhân có độ nhớt là do ái lực cơ học giữa các hạt cấu tạo nên chất lỏng.

- Độ nhớt đặc trưng cho sự chảy của dầu khi vận chuyển, sự bôi trơn, sự phun nhiên liệu trong các động cơ, trạng thái của dầu nhờn bôi trơn

- Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất.

Độ nhớt tuyệt đối (độ nhớt động lực µ hoặc ) ƞ

- Đại lượng vật lí, đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau.

- Độ nhớt động học biểu thị cho các chất lỏng dòng không có gia tốc.

- Xác định: nhớt kế mao quản – chất lỏng chảy qua nhớt kế có đường kính mao quản khác nhau, ghi

nhận thời gian chảy của chúng ta có thể xác định

được độ nhớt động lực.

Độ nhớt tuyệt đối (độ nhớt động lực µ hoặc ) ƞ

Độ nhớt tuyệt đối (độ nhớt động lực µ hoặc ) ƞ

Độ nhớt động học ( ) ʋ

•

Độ nhớt tương đối

•

ĐỘ NHỚT

nhớt thấp nhất, cycloalkan – cao nhất, aren chiếm vị trí trung gian

biệt nhiều

napten và aromat, cũng như mạch nhánh dài thì độ nhớt sẽ tăng.

ĐỘ NHỚT

- ** Độ nhớt của sản phẩm dầu lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ (tỷ lệ nghịch): Tăng nhiệt độ => độ nhớt giảm.

R – thừa số khí; thể tích riêng của phân tử;

No – thừa số Avogadro; M – phân tử lượng;

– năng lượng liên kết giữa các phân tử;

T – nhiệt độ tuyệt đối, K

 

ĐỘ NHỚT

- ** Sự phụ thuộc độ nhớt của dầu nhờn bôi trơn vào nhiệt độ có ý nghĩa đặc biệt to lớn trong sử dụng, máy móc hoạt động trong điều kiện biến thiên nhiệt độ rộng

- Để đặc trưng cho sự phụ thuộc này có thể sử

dụng các chỉ số khác nhau: Chỉ số độ nhớt, tỷ lệ

độ nhớt ν50/ν100 và các đại lượng khác.

ĐỘ NHỚT

** Chỉ số độ nhớt (vis.Ind) – đại lượng đặc trưng cho sự

thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ.

Khi thay đổi nhiệt độ, độ nhớt của dầu bôi trơn thay đổi càng ít

=> chỉ số nhớt càng cao

=> dầu có chất lượng cao.

Chỉ số độ nhớt phụ thuộc thành phần nhóm hydrocacbon Chỉ số độ nhớt cao nhất – parafin; thấp nhất – hydrocacbon đa vòng với mạch nhánh ngắn.

Sự phụ thuộc của độ nhớt vào áp suất:

- Khi tăng áp suất, độ nhớt tăng theo đường parapol.

Sự phụ thuộc độ nhớt của dầu nhờn vào áp suất

1-4: dầu nhờn từ dầu mỏ;

5-7: dầu nhờn thực vật

ĐỘ NHỚT

- ** Theo Maston:

Giản đồ để xác định độ nhớt của dầu ở áp suất cao

Độ nhớt của hỗn hợp:

Giản đồ Molin-Gurvich để xác định độ nhớt của hỗn

hợp sản phẩm dầu

Giản đồ xác định độ nhớt của hỗn hợp dầu

Nhiệt độ chớp cháy

Nhiệt độ chớp cháy – nhiệt độ thấp nhất mà tại đó, khi phân đoạn dầu mỏ được

đốt nóng trong điều kiện tiêu chuẩn, hơi hydrcacbon sẽ thoát ra tạo với không khí xung quanh một hỗn hợp mà nếu đưa ngọn lửa đến gần chúng sẽ bùng cháy rồi phụt tắt như một tia chớp.

Nhiệt độ chớp cháy – đặc trưng cho các phần nhẹ dễ bay hơi trong nhiên liệu

Khi phần nhẹ càng nhiều thì khả năng bay hơi càng lớn

⇒ Gây mất mát vật chất, có thể tạo ra hỗn hợp nỗ trong quá trình bảo quản và vận chuyển

⇒ Nhiệt độ chớp cháy đặc trưng cho mức độ hỏa hoạn của nhiên liệu

Nhiệt độ chớp cháy

Phân đoạn xăng có nhiệt độ chớp cháy âm (dưới

âm 40); kerosen: 28-60 0C, phân đoạn dầu nhờn: 130-325 0C.

Ý nghĩa: xác định điều kiện tồn chứa và bảo

quản nhiên liệu, xác định hàm lượng các sản

phẩm nhẹ có trong phân đoạn.

Nhiệt độ chớp cháy

Theo nhiệt độ chớp cháy có thể biết khả

năng tạo hỗn hợp nổ của hơi sản phẩm dầu

trong không khí.

m là số nguyên tử oxy cần thiết để đốt cháy một phân

tử hydrocacbon

 

Có giới hạn nổ trên và giới hạn nổ dưới của sản phẩm

dầu:

:

Giới hạn nổ của hơi hỗn hợp hai hay nhiều

Điểm chớp lửa cốc hở

Điểm chớp lửa cốc hở là nhiệt độ thấp nhất

của sản phẩm khi bị đốt nóng ở điều kiện thí

nghiệm tạo thành một hỗn hợp hơi không khí

trên bề mặt mẫu và bị chớp lửa khi đưa ngọn

lửa ngang qua mặt cốc và lập tức lan truyền

khắp bề mặt mẫu.

Phương pháp cốc hở áp dụng đối với các sản

phẩm dễ bay hơi như nhiên liệu phản lực, dầu

hỏa dân dụng, diezel

Điểm chớp lửa cốc kín

Điểm chớp lửa cốc kín – nhiệt độ thấp

nhất ở điều kiện áp suất không khí, mẫu

nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy

khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền

một cách nhanh chóng trên bề mặt của

mẫu

Phương pháp cốc hở áp dụng đối với các

phân đoạn không bay hơi như dầu nhờn

Điểm bắt cháy và nhiệt độ tự bắt cháy

Điểm bắt cháy là nhiệt độ thấp nhất sau khi đưa ngọn lửa kiểm tra

ngang qua mặt cốc, hỗn hợp hơi không khí trên mặt cốc bắt cháy liên tục trong thời gian ít nhất 5 giây

** Nếu sản phẩm gia nhiệt đến nhiệt độ cao, sau đó tiếp xúc với không khí thì nó tự bắt cháy

⇒ điểm tự bắt cháy.

Nhiệt độ tự bắt cháy của sản phẩm dầu phụ thuộc thành phần hóa học

và cao nhất ở hydrocacbon thơm và sản phẩm giàu aromat

=> Nguyên nhân gây hỏa hoạn của sản phẩm dầu khi bị rò rỉ trong mối nối, lò nung.

Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, nhiệt độ

kết tinh

Điểm vẩn đục – nhiệt độ mà khi sản phẩm đem làm lạnh trong điều

kiện nhất định, nó bắt đầu vẩn đục do một số cấu tử bắt đầu kết tinh.

Điểm kết tinh – nhiệt độ để sản phẩm bắt đầu kết tinh có thể nhìn

thấy bằng mắt thường

Điểm đông đặc – nhiệt độ cao nhất mà sản phẩm dầu lỏng đem làm

lạnh trong điều kiện nhất định không còn chảy được nữa.

Sự phụ thuộc nhiệt độ đông đặc của dầu nhờn

Sự phụ thuộc nhiệt độ đông đặc của dầu nhờn vào nồng

độ parafin rắn

1- dầu nhờn máy kéo; 2- dầu nhờn máy bay;

3- dầu nhờn công nghiệp nhẹ; 4- dầu nhờn truyền động

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy – nhiệt độ tại đó sản

phẩm dầu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Điểm anilin

Điểm anilin – nhiệt độ thấp nhất mà tại đó đồng thể

tích của anilin và sản phẩm dầu mỏ hòa tan hoàn toàn Điểm anilin phụ thuộc vào thành phần hydrocacbon Hàm lượng hydrocacbon thơm càng lớn

=> điểm anilin càng thấp

Trong cùng một loại hydrocacbon thì khi tăng khối lượng phân tử => điểm anilin tăng.

Nhiệt dung của sản phẩm dầu lỏng

• Nhiệt dung riêng trung bình là nhiệt lượng để nung nóng 1kg một chất tăng nhiệt độ từ t1 đến t2.

Nhiệt dung thực có thể tính theo công thức sau:

•

Nhiệt dung của sản phẩm dầu lỏng

Tăng trọng lượng của sản phẩm dầu thì nhiệt dung của nó giảm, còn khi tăng nhiệt độ thì nhiệt dung tăng

Để tính nhiệt dung của sản phẩm dầu lỏng ta sử dụng phương trình Creg:

Với: t – nhiệt độ, tại đó xác định nhiệt dung, oC

Ct – nhiệt dung thực, kcal/kg.độ

•

Đồ thị xác định nhiệt dung thực của một số hydrocacbon

khí và phân đoạn dầu lỏng có tỷ trọng khác nhau (K = 11,8)

1-etan;

2-propan 3-iso-butan 4-n-butan 5-isopentan 6-n-pentan 7-hexan

Nhiệt dung của sản phẩm dầu lỏng

Phương trình chính xác hơn liên quan đến thành phần hóa học:

Nhiệt dung của hỗn hợp:

 

chh – nhiệt dung theo khối lượng của hỗn hợp;

c1, c2, , cn – nhiệt dung theo khối lượng của các thành

phần;

m1,m2, , mn – nồng độ khối lượng của các thành phần

 

Nhiệt bay hơi

*Đối với các chất tinh khiết nhiệt bay hơi là năng

lượng cần thiết để bay hơi một đơn vị khối lượng chất

ở nhiệt độ và áp suất cố định.

+ l– nhiệt bay hơi, kcal/kg

+ K – hệ số tỷ lệ, đối với các sản phẩm dầu K = 20-22 ở áp suất thường

+ T – Nhiệt độ sôi của sản phẩm dầu

+ M – Phân tử lượng của sản phầm dầu

K được tính theo công thức sau: K = 8,75 + 4,571.lgT

•

Nhiệt bay hơi

Nhiệt bay hơi của distilat dầu ở áp suất khí quyển (kcal/kg):

Nhiệt bay hơi

Tăng T, P => nhiệt bay hơi giảm

Tại điểm tới hạn, l = 0.

Nếu T < Tc, nếu biết nhiệt bay hơi ở nhiệt dộ To nào đó, ta có thể tính được nhiệt bay hơi ở T

•

Nhiệt bay hơi

Để xác định φ người ta dùng nhiệt độ quy đổi:

Tqđ = T/TC

Tc – Nhiệt độ tới hạn - nhiệt độ mà dưới nó thì hai pha lỏng và khí  của một chất có thể cùng tồn tại cân bằng, còn trên nó thì chỉ tồn tại  pha khí. Trạng thái của một chất ở NĐTH và áp suất tới hạn gọi là  trạng thái tới hạn.

Nhiệt bay hơi

4.2 Nhiệt bay hơi

VD: Xác định nhiệt độ bay hơi của benzen ở 120 0C, nếu biết ở 80,5 0C nó có giá trị 94,9 kcal/kg; nhiệt độ tới hạn bằng 288,5 0C

Nhiệt bay hơi

** Nhiệt bay hơi ở nhiệt độ và áp suất khác xa với giá trị tới hạn có thể xác định theo biểu thức Chuton:

P – là áp suất, atm;

T – nhiệt độ

 

Sự phụ thuộc giá trị K trong biểu thức Churton vào

hàm f

1 – nước; 2 – hydrocacbon.

4.3 Nhiệt lượng cháy

Có nhiệt lượng cháy trên và dưới Nhiệt lượng cháy trên khác với nhiệt lượng cháy dưới đại lượng nhiệt lượng ngưng tụ hoàn toàn hơi nước tạo thành khi đốt cháy hydrocacbon Trong tính toán công nghệ thường sử dụng nhiệt lượng cháy dưới.

4.4 Nhiệt độ chớp cháy

* Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ, tại đó sản phẩm dầu được gia nhiệt trong điều kiện tiêu chuẩn, sinh ra một lượng hơi, tạo thành với không khí xung quanh hỗn hợp nhiên liệu, sẽ chớp cháy khi đưa ngọn lửa đến gần