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

Câu 1: 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 đượcphải phân chia thành từng phân đoạn nhỏ Sự phân chia đó dựa vào phương phápchưng cất để thu được các sản phẩm có nhiệt độ sôi khác nhau Trong nhà máy lọcdầu, phân xưởng chưng cất dầu thô là một phân xưởng quan trọng, cho phép ta thuđược các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo

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

Các thành phần hóa học của dầu mỏ được chia tách bằng phương pháp chưngcất phân đoạn Các sản phẩm thu được từ việc lọc dầu có thể kể đến là dầuhỏa, benzen, xăng, sáp parafin, nhựa đường v.v

Một cách chính xác thì dầu mỏ là hỗn hợp của các hiđrôcacbon, là hợp chấtcủa 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 Chúngđược sử dụng làm dung môi, chất làm sạch bề mặt và các sản phẩm làm khô nhanhkhác 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 chođộng cơ tàu thủy Tất cả các sản phẩm từ dầu mỏ này trong điều kiện nhiệt độphòng là chất lỏng

Các dầu bôi trơn và mỡ (dầu nhờn) (kể cả Vadơlin®) nằm trong khoảng từC16 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 trongđiều 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 điêzen: 250-350 °C (nhiên liệu cho động cơ điêzen/dầu sưởi)

• 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 racác 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 khoảngnhiệt độ sôi dưới 1040F (hoặc 400C); Thường được sử dụng dưới dạng khí dầu mỏhoá lỏng (LPG)

2- Naphata hay ligroin – sản phẩm trung gian để đưa đi chế biến, pha chế thànhxăng thương phẩm Thành phần chủ yếu là các alkan với hỗn hợp các mạch H-C cóchứa 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 xăngthương phẩm; Đó là chất lỏng, hỗn hợp của các alkan và xyclo alkan có từ 5 đến 12nguyên tử C; Khoảng nhiệt độ sôi từ 104 đến 4010F (40 đến 2050C)

4- Nhiên liệu dầu hoả (kerosene fuel) dùng cho động cơ phản lực và máy baycánh quạt; Đây là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác; Đặc trưng làchất lỏng; Là hỗn hợp của các alkan với 10 đến 18 nguyên tử C và các chất thơmkhác; 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 nhiênliệu cho động cơ diezen hoặc dầu đốt (heating oil); Là nguyên liệu đầu vào để sảnxuất 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, mỡnhờn và các loại dầu nhờn khác Đặc trưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20đến 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 nhiênliệu cho công nghiệp Là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác Đặctrưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20 đến 70 nguyên tử C), bao gồm cácalkan, 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 đườngatphan và hắc ín (asphalt & tar), sáp (waxes) Chúng là những nguyên liệu đầu vào đểsản xuất ra nhiều sản phẩm thương mại khác nhau có những đặc tính rất đáng chú ýnhư: rắn, và có cấu tạo hợp chất phức tạp với 70 hoặc hơn các nguyên tử C và có thểđạt tới khoảng nhiệt độ sôi lớn hơn 11120F (6000C)

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

Một số chỉ tiêu chất lượng tương ứng được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia.

- 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 đótrị 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 tươngđương 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 lạimột chất cháy dở nhất, cháy không nghiêm túc, dễ bị kích nổ, rất xấu cho động cơngười 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 trămizooctan 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 ốctan khoảng 60-70, nghĩa là chất lượng chưa có thể sử dụng cho xe máy ngày nayđược Các dòng xe đời mới đòi hỏi chất lượng xăng rất cao, có trị số ốc tan 95, 98 vàcao 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 họckhác nhau, tuy nhiên cũng chỉ được pha ở mức giới hạn vì nhiều lý do khác Như vậymuốn 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, gâykhó 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 ỞViêt 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 nêndùng 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 tiêuchuẩn chất lượng, kỵ nhất là lẫn nước hoặc có nhiều chất mà khi ở nhiệt độ thấpchúng kết tinh, gây tắc hệ thống dẫn nhiên liệu Khi bay trên cao nhiệt độ bên ngoàimáy bay là khoảng -450C… Chính vì thế nhiên liệu bay phản lực Jet-A1 thường quyđịnh 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, tỉtrọng, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc Theo tiêu chuẩn Việt nam hàm lượnglưu 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 độcao dần sẽ gây phân hủy dầu.Vậy muốn phần cặn tiếp tục bay hơi khi chưng cất thìphải giảm áp suất vì nhiệt độ sôi của các chất giảm khi áp suất giảm Dựa vào tínhchất 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 cácloại dầu nhờn gốc Từ các loại dầu nhờn gốc được phân ra và pha trộn với các loạiphụ 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

có độ nhớt khác nhau, ít biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ là dầu nhờn tốt (gọi là dầunhờn có chỉ số nhớt cao) Để có sản phẩm dầu nhờn đạt các chỉ tiêu chất lượng củatừng loại là cả một kỹ nghệ phức tạp

Các tầng đĩa bên trong tháp chưng cất

Parafin (sáp) được dùng trong nhiều ngành công nghiệp, có thể oxy hóa để thànhaxit béo, làm chất tẩy rửa tổng hợp Khi chế biến axit béo với sút (gọi là xà phònghóa) 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 nóngcho tan chảy thành lỏng, pha các chất phụ gia, để nguội từ từ cho đông lại, rồi khuấytrộn cho ra các loại mỡ bôi trơn (thường gọi là mỡ bò) Có rất nhiều loại mỡ khácnhau, 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 xuấtnhựa 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 cơnhư 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 nhựađường 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, kếtdính kém, giảm chất lượng nhựa đường)

Cặn chưng cất > 5000C của các loại dầu naphtenic, thu được qua phân xưởngsản xuất nhựa đường Ở đây người ta đun nóng, xục không khí để ô xy hóa, biến cácchất nặng trong đó thành nhựa, thành asphalten đến khi có được tỷ lệ thích hợp trongthành phần của nhựa đường để đảm bảo đạt 3 chỉ tiêu chất lượng quan trọng (độ kéodài, độ chảy mềm và độ xuyên kim)

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

Câu 2: Giới thiệu chung về dầu thô và sản xuất dầu mỏ?

Trả lời

I Giới thiệu chung về dầu thô

1 Khái quát dầu thô

Dầu dầu thô (dầu mỏ) là khoáng vật phong phú nhất trong tự nhiên, là mộttrong những nguyên liệu thô quan trọng nhất mà loài người có được và nó là mộttrong những nguồn cung cấp hydrocacbon phong phú nhất có trong tự nhiên Dầu mỏđược con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ XVIII dầu mỏ được sử dụng làmnhiên liệu để đốt và thắp sáng Sang thế kỷ XIX, dầu được coi như là nguồn nhiênliệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế Hiện nay, dầu mỏ đãtrở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới Khoảng

65 ÷ 70% năng lượng sử dụng đi từ dầu mỏ, chỉ 20 ÷ 22% đi từ than, 5 ÷ 6% từ nănglượng nước và 8 ÷ 12% từ năng lượng hạt nhân

Bên cạnh việc sử dụng dầu mỏ để chế biến thành các dạng nhiên liệu thì hướng

sử dụng mạnh mẽ và hiệu quả nhất của dầu mỏ là làm nguyên liệu cho công nghiệptổng hợp hữu cơ – hóa dầu như: sản xuất cao su, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, các chấthoạt động bề mặt, phân bón

Ngành khai thác chế biến dầu khí là một ngành công nghiệp mũi nhọn, trongmột tương lai dài vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng vànguyên liệu hoá học mà không có tài nguyên thiên nhiên nào thay thế được Hiệu quả

sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng của các quá trình chế biến Theo cácchuyên gia về hóa dầu Châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nângcao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên 5 lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tàinguyên quý giá này

2 Nguồn gốc của dầu mỏ (dầu thô)

Có khá nhiều giả thuyết để mô tả sự biến hoá lâu đời của vật chất (các xácđộng vật và thực vật) để trở thành các mỏ dầu khổng lồ trong long đất, nhưng trong

đó chỉ có một giả thuyết mà cách lập luận của nó hầu như được nhiều người chấpnhận

Theo thuyết này, các chất hữu cơ nói chung, cụ thể là các xác động vật và thựcvật lắng chìm xuống đáy biển, lâu ngáy tích tụ lại và trộn với lớp cát mùn dưới đáybiển tạo thành một khối bùn thối rữa gọi là các lớp trầm tích Những khối bùn nàutăng dần theo thời gian Dưới tác dụng của lực địa tầng, tác dụng của nhiệt độ và sựhoạt động của các vi khuẩn trong môi trường không có ôxy từng bước khối bùn nhãonày chuyển hoá dễ dàng thành dầu mỏ Trong một số mỏ dầu nhất định, người ta đãphát hiện được các vi khuẩn, có cả nitơ, lưu huỳnh, đôi khi có cả phốtpho Ngoài ra,còn có một lớp nước mặn bao quanh mỏ

Hình 1: Túi dầu và tháp khoan dầu

Hình 2: Các giếng khoan trên đất liền và ngoài biển

Nơi hình thành dầu mỏ được gọi là “đá mẹ” Tuy nhiên dầu mỏ không bao giờchịu nằm im nơi “đá mẹ” sinh ra nó Dưới tác dụng của nhiều lực khác nhau như:chênh leach khối lượng riêng với nước biển, các lực địa tầng và lớp cặn biển v.v…dầu mỏ luôn luôn di chuyển để tạo thành thế cân bằng mới Cuộc di chuyển này được

tiến hành qua các khối đá xốp hoặc các khe nứt tồn tại trong long đất, và thường làtheo xu hướng đi lên, hiếm khi di chuyển đi xuống.

Cuộc di chuyển của dầu mỏ cứ thế tiếp tục khi chưa đạt thế cân bằng, nhưng sẽdừng lại sau khi khối dầu mỏ này bị rơi vào khối đá bay Do cấu trúc của khối đá này

có một lớp không thẩm tháu bao phủ phía trên nên dầu mỏ phải nằm lại đó và tạo nêntúi dầu Dầu mỏ nằm im trong túi dầu lâu đời và bị lắng phân thành ba lớp: khí ở trêncùng, đến dầu mỏ ở lớp kế tiếp và cuối cùng là nước mặn

Ngoài ra các mỏ dầu cũng có khi nằm ở thể khí, được gọi là khí mỏ và đượcdùng làm khí đốt hoặc cung cấp cho công nghiệp hoá dầu

3 Thành phần và phân loại dầu thô

Dầu mỏ hay còn gọi là dầu thô, là một hỗn hợp hydrocacbon thiên nhiên rấtphức tạp Bao gồm từ cấu tử có một cacbon đến cấu tử có vài chục cacbon, hoà tanlẫn vào nhau và tạo thành một khối chất lỏng đen có ánh xanh lục nhạt, nhẹ hơn nước

và có mùi hắc đặc trưng Ngoài thành phần chính là hudrocacbon chiếm khỏng 99% trong dầu thô còn có một số các tạp chất khác như nước, bùn, muối,oxy và một

90-số hợp chất của nitơ, lưu huỳnh…dựa theo cấu trúc của hydrocacbon mà người tachia dầu thô ra làm ba loại:

- Dầu thô loại paraffin: là các hydrocacbon mạch thẳng không phân nhánh parafin) và loại mạch thẳng có nhánh (iso paraffin) chiếm tỷ lệ cao trong dầu

(n Dầu thô loại naphten: là các hydrocacbon mạch vòng chiếm tỷ lệ cao trongdầu

- Dầu thô loại asphal: là các hydrocacbon có cấu trúc nhân benzene hay còngọi là hydro cacbon thơm, chiếm tỷ lệ cao trong dầu Loại hydrocacbon này ít nằm ởphần nhẹ của dầu mà chủ yếu nằm ở phần nặng của dầu vì thường chúng có cấu trúcmạch đa vòng nhân thơm và có cấu trúc mạch paraffin ngắn Loại này có cấu trúcgiống với cấu trúc asphal thiên nhiên, do đó người ta đặt tên là dầu asphal

Ngoài ra còn một số hydrocacbon họ benzoic trong dầu, loại này thường chiếm

tỷ lệ nhỏ khoảng 5-30% hiện diện dưới dạng vòbg thơm ngưng tụ làm tăng chỉ sốoctan nhưng lại làm giảm chất lượng của nhiên liệu phản lực, nhiên liệu diesel do làmgiảm tính chất cháy của nó