CÁC sản PHẨM CHƯNG cất PHÂN đoạn TRONG dầu mỏ

phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng×chưng cất phân đoạn không khí lỏng là gì×thế nào là chưng cất phân đoạn không khí lỏng×sản phẩm chưng cất dầu mỏ×hệ thống chưng cất phân đoạn×sơ đồ chưng cất phân đoạn không khí lỏng× phương pháp chưng cất phân đoạnchưng cất phân đoạn không khí lỏngcác sản phẩm chưng cất dầu mỏchưng cất phân đoạn dầu mỏ trong phòng thí nghiệm

Câu hỏi: Nêu các sản phẩm chưng cất phân đoạn trong dầu mỏ? Ý nghĩa các chỉ tiêu của phân tích trong các sản phẩm đó?

Trả lời

Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ

và các hợp chất khác như CO2, N2, H2, H2S, He, Ar, Ne Dầu mỏ muốn sử dụng được phải phân chia thành từng phân đoạn nhỏ Sự phân chia đó dựa vào phương pháp chưng cất để thu được các sản phẩm có nhiệt độ sôi khác nhau Trong nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô là một phân xưởng quan trọng, cho phép ta thu được các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo

Hình 1 Các sản phẩm chưng cất phân đoạn trong dầu mỏ

Một cách chính xác thì dầu mỏ là hỗn hợp của các hiđrôcacbon, là hợp chất của hiđrô và cacbon

Trong điều kiện thông thường, bốn alkan nhẹ nhất — CH4 (mêtan), C2H6 (êtan), C3H8 (prôpan) và C4H10 (butan) — ở dạng khí, sôi ở nhiệt độ -161.6 °C, -88.6 °C, -42 °C, và -0.5 °C tương ứng (-258.9°, -127.5°, -43.6°, và -31.1 °F)

Các chuỗi trong khoảng C5-7 là các sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay hơi Chúng được sử dụng làm dung môi, chất làm sạch bề mặt và các sản phẩm làm khô nhanh khác Các chuỗi từ C6H14 đến C12H26 bị pha trộn lẫn với nhau được sử dụng trong đời

sống với tên gọi là xăng Dầu hỏa là hỗn hợp của các chuỗi từ C10 đến C15, tiếp theo

là dầu điêzen/dầu sưởi (C10 đến C20) và các nhiên liệu nặng hơn được sử dụng cho động cơ tàu thủy Tất cả các sản phẩm từ dầu mỏ này trong điều kiện nhiệt độ phòng là chất lỏng

Các dầu bôi trơn và mỡ (dầu nhờn) (kể cả Vadơlin®) nằm trong khoảng từ C16 đến C20

Các chuỗi trên C20 tạo thành các chất rắn, bắt đầu là sáp parafin, sau đó là hắc ín

và nhựa đường bitum

Khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm dầu mỏ trong chưng cất phân đoạn trong điều kiện áp suất khí quyển tính theo độ C là:

• Xăng nhẹ: 60-100 °C (nhiên liệu cho ô tô)

• Xăng nặng: 100-150 °C (nhiên liệu cho ô tô)

• Dầu hỏa nhẹ: 120-150 °C (nhiên liệu và dung môi trong gia đình)

• Dầu bôi trơn: > 300 °C (dầu bôi trơn động cơ)

• Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, các nhiên liệu khác

Hình 2: Mô hình tháp chưng cất hiện đại

Các sản phẩm thu được trong quá trình chưng cất phân đoạn trong dầu mỏ:

1- Khí dầu mỏ (petroleum gas), nó được dùng để sưởi ấm, nấu ăn và chế biến ra các sản phẩm nhựa (making plastics) Thành phần chủ yếu là các alkan, với cấu trúc

từ 1 đến 4 nguyên tử carbon như metan, etan, propan và butan … Chúng có khoảng nhiệt độ sôi dưới 1040F (hoặc 400C); Thường được sử dụng dưới dạng khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

2- Naphata hay ligroin – sản phẩm trung gian để đưa đi chế biến, pha chế thành xăng thương phẩm Thành phần chủ yếu là các alkan với hỗn hợp các mạch H-C có chứa từ 5 đến 9 nguyên tử cacbon; Khoảng nhiệt độ sôi từ 140 đến 2120F (60 đến

1000C)

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

chất lỏng; Là hỗn hợp của các alkan với 10 đến 18 nguyên tử C và các chất thơm khác; Khoảng nhiệt độ sôi từ 350 đến 6170F (175 đến 3250C)

5- Dầu đốt (gas oil) hoặc dầu diezen chưng cất (diesel distillate), dùng làm nhiên liệu cho động cơ diezen hoặc dầu đốt (heating oil); Là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác; Đặc trưng là chất lỏng bao gồm các alkan chứa từ 12 (hoặc hơn) nguyên tử C Khoảng nhiệt độ sôi từ 482 đến 6620F (250 đến 3500C)

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

độ sôi từ 572 đến 7000F (300 đến 3700C)

7- Dầu nặng (heavy gas) hoặc nhiên liệu đốt lò (fuel oil) Được dùng làm nhiên liệu cho công nghiệp Là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác Đặc trưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20 đến 70 nguyên tử C), bao gồm các alkan, xycloalkan và các chất thơm Khoảng nhiệt độ sôi từ 700 đến 11120F (370 đến

6000C)

8- Phần sót lại sau chưng cất (Residuals), bao gồm cặn cố (coke), nhựa đường atphan và hắc ín (asphalt & tar), sáp (waxes) Chúng là những nguyên liệu đầu vào để sản xuất ra nhiều sản phẩm thương mại khác nhau có những đặc tính rất đáng chú ý như: rắn, và có cấu tạo hợp chất phức tạp với 70 hoặc hơn các nguyên tử C và có thể đạt tới khoảng nhiệt độ sôi lớn hơn 11120F (6000C)

Hình3: Sơ đồ công nghệ của một nhà máy lọc dầu tiêu biểu

- Chỉ tiêu chất lượng của xăng là : Thành phần chưng cất, tỉ trọng, áp suất hơi,

độ axit, hàm lượng lưu huỳnh, trị số octan… tương úng cho từng loại xăng Trong đó trị số octan ( viết tắt là RON ) thường được coi là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất Thí dụ ta gọi xăng RON 92, tức là loại xăng này có chất lượng cháy tương đương với một chất chuẩn (trong đó có 92% chất izooctan + 8% chất n-Heptan) được

so sánh với nhau khi cùng chạy trong một động cơ chuẩn gọi là máy đo trị số ốc tan Chất izoôctan như đã nói, là chất cháy nghiêm túc, cháy êm đẹp, không gây kích nổ Người ta lấy chất này làm chuẩn cao và quy cho nó có trị số ốc tan là 100 Ngược lại một chất cháy dở nhất, cháy không nghiêm túc, dễ bị kích nổ, rất xấu cho động cơ người ta lấy chất này làm chuẩn thấp và quy cho nó có trị số ốc tan bằng không (0) chất này là n-Heptan

Các loại xăng khác như xăng RON95, RON 98 là xăng có trị số ốc tan là 95, 98 Cách diễn giải tương tự như trên Như vậy trị số ốctan chính bằng số phần trăm izooctan trong mẫu chuẩn khi so sánh tương đương với xăng cần đo và đó cũng là trị

số ốc tan của xăng cần đo Sau khi chưng cất, các phân đoạn xăng thô chỉ có trị số ốc tan khoảng 60-70, nghĩa là chất lượng chưa có thể sử dụng cho xe máy ngày nay được Các dòng xe đời mới đòi hỏi chất lượng xăng rất cao, có trị số ốc tan 95, 98 và cao hơn Động cơ chạy xăng, công suất lớn, có hệ số nén của piston lớn thì cần xăng

có RON cao để trách kích nổ

Để tăng trị số ốc tan, người ta đã nghiên cứu và pha vào xăng nhiều chất hóa học khác nhau, tuy nhiên cũng chỉ được pha ở mức giới hạn vì nhiều lý do khác Như vậy muốn tăng trị số octan một cách cơ bản và bền vững chỉ còn cách đầu tư công nghệ Ngoài trị số ôctan, chất lượng xăng còn yêu cầu nhiều chỉ tiêu quan trọng khác

ví dụ như xăng nhẹ quá dễ bay hơi tạo thành các bóng hơi trong ống dẫn xăng, gây khó nổ và dễ chết máy Khi tồn chứa, bảo quản bị hao hụt nhiều

Trong xăng phải giới hạn lượng benzen vì nó là chất rất độc hại, gây ung thư Ở Viêt nam hiên nay quy định chất này phải nhỏ hơn 2,5%, trong khi các nước công nghiệp phát triển như EU, chỉ cho phép tỷ lệ benzen trong xăng phải nhỏ hơn 1% Benzen là chất dễ bay hơi nên trong hơi xăng bay ra có lẫn benzen rất độc, không nên dùng mồm hút xăng bằng ống nhựa

- Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu phản lực bao gồm: thành phần chưng cất,

tỉ trọng, hàm lượng lưu huỳnh, độ dài ngọn lửa không khói, nhiệt độ kết tinh …

Nhiên liệu cho máy bay phản lực thì cần có những quy định khắt khe về tiêu chuẩn chất lượng, kỵ nhất là lẫn nước hoặc có nhiều chất mà khi ở nhiệt độ thấp chúng kết tinh, gây tắc hệ thống dẫn nhiên liệu Khi bay trên cao nhiệt độ bên ngoài máy bay là khoảng -450C… Chính vì thế nhiên liệu bay phản lực Jet-A1 thường quy định có nhiệt độ kết tinh khoảng từ -500C đến -470C

Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diezen bao gồm: thành phần chưng cất, tỉ

trọng, hàm lượng lưu huỳnh, trị số Xetan, độ axit, nhiệt độ đông đặc…

Nhiên liệu điezen, thường gọi là dầu DO, dùng cho các thiết bị chạy bằng động

cơ diezen , như ô tô du lịch, xe tải nặng, các máy phát điện, tầu thủy…

Nhiên liệu đốt lò FO cần quan tâm đến nhiệt lượng cháy, lượng lưu huỳnh, tỉ trọng, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc Theo tiêu chuẩn Việt nam hàm lượng lưu huỳnh phải < 2%

Trường hợp muốn sản xuất dầu nhờn, parafin, nhựa đường thì phải theo một sơ

đồ công nghệ khác Khi đó cặn chưng cất khí quyển > 3700C, phải tiếp tục chưng cất

ở áp suất thấp (thường gọi là chưng cất chân không) Nếu tiếp tục đun nóng, nhiệt độ cao dần sẽ gây phân hủy dầu.Vậy muốn phần cặn tiếp tục bay hơi khi chưng cất thì phải giảm áp suất vì nhiệt độ sôi của các chất giảm khi áp suất giảm Dựa vào tính chất này, người ta chưng cất thành các phân đoạn nặng có nhiệt độ sôi đến 4000C, 400-4500C,450-5000C và cặn chưng cất chân không sôi trên 5000C hoặc trên 5500C Các phân đoạn này phải qua công nghệ tách parafin, tách nhựa để sản xuất được các loại dầu nhờn gốc Từ các loại dầu nhờn gốc được phân ra và pha trộn với các loại phụ gia khác nhau để sản xuất các chủng loại dầu nhờn khác nhau: dầu nhờn bôi trơn

và làm mát cho động cơ, dầu nhờn cho máy biến thế, dầu thủy lực, dầu cho máy lạnh, v.v Dầu nhờn thường thấy nhất là dầu nhờn cho động cơ ô tô, xe máy Các dầu nhờn

Các tầng đĩa bên trong tháp chưng cất

Parafin (sáp) được dùng trong nhiều ngành công nghiệp, có thể oxy hóa để thành axit béo, làm chất tẩy rửa tổng hợp Khi chế biến axit béo với sút (gọi là xà phòng hóa) được một loại sản phẩm dùng để kết hợp với dầu nhờn gốc để sản xuất mỡ Người ta trộn 30-35% axit béo đã sà phòng hóa với 65-70% dầu nhờn gốc, làm nóng cho tan chảy thành lỏng, pha các chất phụ gia, để nguội từ từ cho đông lại, rồi khuấy trộn cho ra các loại mỡ bôi trơn (thường gọi là mỡ bò) Có rất nhiều loại mỡ khác nhau, cho ổ trục, vòng bi, loại chịu nhiệt, chịu lạnh.v.v

- Nhựa đường (bitum: Không phải loại dầu thô nào cũng có thể sản xuất được

nhựa đường Dầu thô Việt nam hiện có, nhất là dầu Bạch hổ thì không thể sản xuất nhựa đường vì thành phần của cặn quá nhiều parafin, rất ít các chất nhựa và asphalten, các chất này vừa dẻo vừa kết dính chắc, bền khi kết hợp với vật liệu vô cơ như đá, cát… là tiêu chí cần thiết của nhựa đường

Dầu mỏ có tính naphtenic, như các loại dầu mỏ Trung đông là loại sản xuất nhựa đường rất tốt vì trong cặn chưng cất có thành phần các chất nhựa, asphalten rất cao, rất ít parafin (vì khi có parafin thì nhựa đường dễ nóng chảy, không dẻo, dòn, kết dính kém, giảm chất lượng nhựa đường)

Cặn chưng cất > 5000C của các loại dầu naphtenic, thu được qua phân xưởng sản xuất nhựa đường Ở đây người ta đun nóng, xục không khí để ô xy hóa, biến các

chất nặng trong đó thành nhựa, thành asphalten đến khi có được tỷ lệ thích hợp trong thành phần của nhựa đường để đảm bảo đạt 3 chỉ tiêu chất lượng quan trọng (độ kéo dài, độ chảy mềm và độ xuyên kim)

Sản xuất các sản phẩm lọc dầu trên thế giới đã có lịch sử phát triển trên 150 năm, là một ngành công nghệ đã tập hợp , tích lũy và ứng dụng rất nhiều thành quả sáng tạo của loài người về mặt khoa học, kỹ thuật Cũng từ đó, ngoài các công nghệ lọc dầu cổ điển, đã có nhiều công nghệ chế biến dầu thô tiên tiến ngày càng gắn liền với công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa dầu