công nghệ chế biến dầu nhờn

ThS Lê Thị Thu Dung 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH DẦU NHỜN  Cách 100 năm, chí người chưa có khái niệm dầu nhờn  Tất loại máy móc lúc bôi trơn dầu mỡ lợn sau dùng dầu ôliu, dầu thảo mộc khác (như dầu cọ)  Khi ngành chế biến dầu mỏ đời, sản phẩm chủ yếu dầu hỏa, phần c.n lại mazut (chiếm 70% – 90%) không sử dụng coi bỏ  Với phát triển ngành công nghiệp dầu mỏ lượng cặn mazut ngày lớn, buộc người phải nghiên cứu để sử dụng vào mục đích có lợi  Lúc đầu cặn dầu mỏ pha thêm vào dầu thực vật mỡ lợn với tỉ lệ thấp để tạo dầu bôi trơn, từ năm 1867 cặn dầu mỏ chế dùng làm dầu nhờn  Năm 1870 Creem (Nga), nhà máy Xakhanxkiđơ bắt đầu chế tạo dầu nhờn từ dầu mỏ, chất lượng thấp Từ 1880 ngành chế tạo dầu nhờn thực phát triển đánh dấu bước ngoặt lịch sử chế tạo chất bôi trơn  Hiện nay, dầu nhờn có mặt toàn giới với đa dạng sản phẩm & chủng loại Dầu nhờn phát triển mạnh mẽ nhờ cạnh tranh tập đoàn lớn theo yêu cầu ngày cao động CÔNG DỤNG CỦA DẦU NHỜN         Bôi trơn (giảm ma sát) chi tiết chuyển động; Giảm mài mòn hay ăn mòn chi tiết máy; Tẩy bề mặt linh kiện, chi tiết máy móc, động cơ; Tránh tạo lớp cặn bùn trình vận hành; Trám làm khít bề mặt cần làm kín; Tản nhiệt, làm mát máy móc, động cơ; Truyền nhiệt hệ thống gia nhiệt; Chống sét gỉ Trong số tính trên, bôi trơn chức quan trọng dầu nhờn Bôi trơn biện pháp làm giảm ma sát đến mức thấp cách tạo bề mặt ma sát lớp chất gọi chất bôi trơn Chất bôi trơn đa phần dạng lỏng (dầu nhờn), phần lại dạng đặc (mỡ), tỉ lệ dạng rắn (chỉ dùng ổ trục hoạt động nhiệt độ cao chân không) 1.1 THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA DẦU NHỜN  Dầu nhờn để bôi trơn cho động hoạt động vận hành thực tế hỗn hợp bao gồm: • Dầu gốc • Phụ gia 1.1.1 Dầu gốc  Dầu gốc dầu thu sau trình chế biến, xử lý tổng hợp trình vật lý hóa học Dầu thực vật Dầu gốc Dầu tổng hợp  Dầu gốc thông thường gồm có ba loại là: dầu thực vật, dầu khoáng dầu tổng hợp  Dầu thực vật dùng số trường hợp đặc biệt, chủ yếu phối trộn với dầu khoáng dầu tổng hợp để đạt số chức định  Ngày người ta thường sử dụng dầu khoáng hay dầu tổng hợp chủ yếu  Với tính chất ưu việt giá thành rẻ, sản phẩm đa dạng phong phú, dầu khoáng chiếm vị trí quan trọng lĩnh vực sản xuất dầu nhờn  Trong ngành công nghiệp sản xuất dầu nhờn đại, dầu tổng hợp giữ vị trí quan trọng ngày quan tâm nhiều tính chất ưu việt Dầu gốc khoáng Dầu cặn mazut Dầu cặn gurdon DẦU GỐC KHOÁNG TỪ CẶN MAZUT CẶN MAZUT phần cặn trình chưng cất khí có nhiệt độ sôi cao 350°C Phần cặn đem đốt làm nguyên liệu để sản xuất dầu gốc Để sản xuất dầu gốc người ta đem mazut chưng cất chân không thu phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau: • Phân đoạn dầu nhẹ (LVGO: Light Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ sôi từ 300°C - 350°C • Phân đoạn dầu trung bình (MVGO: Medium Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ từ 350°C - 420°C • Phân đoạn dầu nặng (HVGO: Heavy Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ từ 420°C - 500°C Thành phần phân đoạn gồm phân tử hydrocarbon có số cacbon từ C21-40, hydrocacbon phân đoạn có trọng lượng phân tử lớn (1000 – 10000 đvC), cấu trúc phức tạp, bao gồm: • Các parafin mạch thẳng mạch nhánh • Các hydrocarbon naphten đơn hay đa vòng, có cấu trúc vòng xyclohexan thường gắn với mạch nhánh parafin • Các hydrocarbon thơm đơn hay đa vòng chủ yếu chứa mạch nhánh ankyl, chủ yếu đến vòng • Các hợp chất lai hợp mà chủ yếu naphten parafin, naphten hydrocarbon thơm Cặn khí Dầu cọc sợi nhẹ Dầu cọc sợi nặng Dầu bôi trơn nhẹ Dầu bôi trơn nặng Cặn chân không Tỷ trọng 15oC 0,949 0,900 0,915 0,930 0,936 1,017 Độ nhớt 40oC, cSt 371 10,1 26,6 119 380 - Độ nhớt 100oC, cSt 21,8 2,48 4,25 9,73 19,5 3100 Chỉ số độ nhớt VI 65 52 28 36 37 - - - - - 110 Độ xuyên kim 25oC, 0,1mm Điểm hóa mềm, oC - - - - - 45 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở, oC 203 160 181 221 258 338 1.1.2 Tính chất vật lý hóa học dầu gốc khoáng Các phân đoạn dầu thô thích hợp cho sản xuất dầu gốc cho sản phẩm có khoảng nhiệt độ sôi khác nhờ trình chưng cất chân không Chúng chứa loại hydrocacbon sau đây: Parafin mạch thẳng mạch nhánh • Các parafin mạch thẳng dài loại sáp rắn nên hàm lượng chúng dầu bôi trơn phải giảm tới mức nhỏ nhất, đặc biệt dầu bôi trơn sử dụng nhiệt độ thấp • Iso-parafin: thành phần tốt cho dầu bôi trơn chúng có độ ổn định nhiệt tính nhiệt nhớt tốt Hydrocacbon no đơn đa vòng (napten) • Dầu thô tốt cho sản xuất dầu gốc Hydrocacbon thơm đơn đa vòng (aromatic) • Chủ yếu chứa mạch nhánh ankyl • Số vòng ngưng tụ nhiều mà mạch parafin ngắn tính nhiệt nhớt kèm không thích hợp dầu bôi trơn Các hợp chất lai hợp khó chế biến Các hợp chất hữu có chứa dị nguyên tử, thường gây lão hóa dầu CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT CỦA IZOPARAFIN C21 VÀ C24 HRCB 2- metyleicozan 3- metyleicozan 4- metyleicozan 5- metyleicozan 2- metyltricozan 2,2-dimetyldocozan 2,4-dimetyldocozan 2,4,6- trimetylheneicozan Số nguyên tử C phân tử Chỉ số độ nhớt 21 21 21 21 24 24 24 24 165 146 145 140 170 163 144 118 1.1.3 Phân loại dầu gốc khoáng  Trong thực tế, dầu gốc khoáng hỗn hợp phân tử đa vòng có đính mạch nhánh parafin  Việc phân loại dầu gốc theo chất hóa học tùy thuộc vào nhóm chiếm ưu sau: • Dầu parafin • Dầu napten • Dầu aromat CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT:  VI giá trị xác định qua thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ dựa sở so sánh khoảng thay đổi tương đối độ nhớt hai loại dầu chọn lọc chuyên dùng, hai loại dầu khác biệt lớn số độ nhớt VI  Dựa vào độ nhớt động học 400C 1000C loại dầu để tính số độ nhớt (VI) tương ứng chúng theo tiêu chuẩn ASTM D 2270  Tiêu chuẩn phân hai trường hợp: dầu có VI dự đoán nhỏ 100 lớn 100 Trong đó: L - độ nhớt dầu cóVI = (dầu có VI thấp – Dầu naphten) H - độ nhớt dầu cóVI = 100 (dầu có VI cao – dầu parafin) U - độ nhớt dầu cần phải tính số độ nhớt Trường hợp 1: Dầu bôi trơn có VI dự đoán nhỏ 100 𝑉𝐼=𝐿−𝑈𝐿−𝐻×100 L – độ nhớt động học 40 oC loại dầu có VI = có độ nhớt động học 100 0𝐶 với dầu mà ta cần tính VI, cSt; U –độ nhớt động học 40 oC dầu ta cần phải tính số độ nhớt,cSt; H - độ nhớt động học học 40 oC loại dầu có VI = 100 có độ nhớt động học 100 0𝐶 với dầu mà ta cần tính VI, cSt; Nếu độ nhớt động học dầu cần đo 100 0C nhỏ hay 70 cSt giá trị tương ứng L H cần phải tra bảng 2.3 Nếu độ nhớt động học dầu cần đo 100 0𝐶 lớn 70 cSt, giá trị L H tính sau: L = 0,8353𝑌2+ 14,76Y –216 H = 0,1684𝑌2+ 11,85Y –97 Với Y độ nhớt động học 100 0𝐶 dầu tính số độ nhớt, cSt Trường hợp thứ hai: Chỉ số độ nhớt dầu cần đo dự đoán lớn 100: VI = [(antilogN –1)/0,00715] + 100 Trong N = (logH –logU)/logY Giá trị H tính cách tính thứ Ví Dụ 1: Tính số độ nhớt dầu có: - Độ nhớt động học 400C = 22,83mm2/s (cSt) - Độ nhớt động học 1000C = 5,05mm2/s (cSt) 4.1.4 THÀNH PHẦN CẤT Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN: ASTM D86 – 05; TCVN 2698 : 2007  Thành phần cất áp suất khí hiểu nhiệt độ thu x%  thể tích mẫu thiết bị thử nghiệm tiêu chuẩn  Đối với dầu thô, biết đặc tính thành phần cất áp suất khí giúp cho người thiết kế hoạch định tỷ lệ lấy sản phẩm trình chưng cất phân đoạn dầu mỏ tính toán thông số tháp chưng cất  Đối với sản phẩm dầu mỏ, đặc tính chưng cất (tính bay hơi) hydrocacbon thường có ảnh hưởng quan trọng đến an toàn tính sử dụng chúng, đặc biệt loại nhiên liệu dung môi Dựa vào dải sôi biết thông tin thành phần, tính chất nhiên liệu trình bảo quản sử dụng  Tính bay yếu tố để xác định xu hướng tạo nổ hỗn hợp hydrocacbon Các đặc tính chưng cất có vai trò đặc biệt quan trọng cho xăng ôtô xăng máy bay, ảnh hưởng đến khởi động máy, làm nóng máy xu hướng tạo nút nhiệt độ vận hành cao độ cao lớn, hai  Sự có mặt thành phần có điểm sôi cao loại nhiên liệu ảnh hưởng đáng kể đến tạo thành cặn cháy cứng  Tính bay ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi, tính chất yếu tố quan trọng sử dụng dung môi, đặc biệt dung môi pha sơn Cách tiến hành: 4.1.5 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG NƯỚC ASTM D 95-05e1; TCVN 2692 : 2007 ASTM D 6304-04; TCVN 3182 : 2008  Hàm lượng nước dầu lượng nước tính phần trăm theo trọng lượng thể tích hay theo ppm (phần triệu)  Nước sản phẩm dầu mỏ không mong muốn phải khống chế với hàm lượng định Vì nước có tỷ trọng nhẹ xăng, điêzen số sản phẩm dầu mỏ nhẹ khác nên chúng thường tạo phân lớp, gây số trục trặc trình cháy, đặc biệt trình khởi động động  Hàm lượng nước dầu bôi trơn đặc trưng quan trọng số loại dầu dầu thủy lực, dầu ôtô, dầu bánh công nghiệp… Đặc biệt quan trọng dầu biến  Sự có mặt nước dầu bôi trơn đẩy nhanh trình gây ăn mòn, gỉ chi tiết máy, tăng trình oxy hóa dầu gây tạo nhũ làm tác dụng phụ gia chứa dầu Trong vài trường hợp, nước làm thủy phân phụ gia, tạo nên bùn mềm xốp Vì vậy, hàm lượng nước dầu dầu sử dụng phải khống chế nghiêm ngặt Với loại dầu đặc biệt dầu biến chẳng hạn, không phép có mặt nước  Để khống chế lượng nước dầu điều kiện máy làm việc người ta phải cho vào dầu phụ gia có tính khử nhũ để tách nước nhanh khỏi hệ thống Cách xác định: ASTM D 95-05e1; TCVN 2692 : 2007 tiêu chuẩn quy định phương pháp xác định hàm lượng nước sản phẩm dầu mỏ theo phương pháp chưng cất lôi  Lấy mẫu thử vào bình cất: tùy theo lượng nước có mẫu, ước tính lượng mẫu cần lấy vào cốc cho lượng nước thu phù hợp với ống thu hồi nước Thêm lượng dung môi cần thiết vào bình chưng cất Dung môi cần phải cất với nước mẫu  Mặt khác, nước dung môi không hòa tan với trạng thái lỏng Cho tâm sôi vào bình chưng cất nguội Lắp đặt dụng cụ theo quy chuẩn cho Ống bẫy nước cắm sâu bình chưng 15 – 20 mm, mép vát ống sinh hàn đối diện với lỗ ống thu hồi nước, phía ống sinh hàn có lắp miếng chống ẩm miếng khô để tránh ảnh hưởng ẩm không khí ngưng tụ  Gia nhiệt với tốc độ – giọt/giây Khi chưng cất, dung môi với nước ngưng tụ nước liên tục tách ống thu hồi nước Nước nằm lại phần đuôi ống thu hồi nước, dung môi lớp chảy qua trở lại bình chưng cất  Kết thúc chưng cất mức nước ống đong thu hồi nước không tăng khoảng phút Thời gian thử nghiệm khoảng 30 - 60 phút, không nên kéo dài có ảnh hưởng ngưng ẩm không khí làm kết sai lệch 4.1.5 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CẶN CACBON ASTM D 189 – 05; TCVN 6324 : 2006 ASTM D 524 – 04; TCVN 6018 : 2007  Cặn cacbon (carbon residue): Cặn cacbon lượng cặn lại tạo thành trình bay nhiệt phân hợp chất chứa cacbon  Khi đun nóng dầu mỏ sản phẩm dầu mỏ phân đoạn nặng thường không phân hủy hoàn toàn tạo lượng cặn cacbon định Thành phần cặn phức tạp, không chứa cacbon mà nhiều chất khác Thành phần phụ thuộc vào chất dầu, nhiệt độ phân hủy, có mặt kim loại có tính xúc tác cho phản ứng phân hủy nhiệt  Đối với dầu động cơ, trước cặn cacbon xem tổng cặn cacbon mà dầu động tạo thành khoang đốt động cơ, đến không có mặt phụ gia nhiều loại dầu Ví dụ phụ gia tẩy rửa tạo tro làm tăng giá trị cặn bon dầu, lại giảm xu hướng tạo cặn dầu  Đối với nhiên liệu điêzen cặn cacbon sử dụng dẫn việc sản xuất khí từ điêzen, giá trị cặn bon cặn dầu thô, dầu gốc loại BS dầu xy lanh lại có ích sản xuất dầu bôi trơn Cách xác định: 4.1.5 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG TRO SUNFAT ASTM D874 – 06; TCVN 2689 : 2007  Tro sunfat phần cặn lại sau than hóa mẫu, sau phần cặn xử lý H2SO4 nung nóng đến khối lượng không đổi  Hàm lượng tro Sunfat dùng để nồng độ phụ gia chứa kim loại biết dầu Khi Photpho Bari, Canxi, Magiê, Natri Kali biến thành muối Sulphat, thiếc kẽm dạng oxyt chúng  Lưu huỳnh Clo không gây trở ngại Photpho có mặt với kim loại lại phần toàn tro Sunfat dạng Photphat kim loại  Thường hàm lượng tro sunfat liên quan đến trị số kiềm dầu động Nói chung hàm lượng tro sunfat lớn giá trị trị số kiềm lớn ngược lại  Hàm lượng tro sunfat gồm có tro phụ gia đưa vào để làm tăng tính dầu, ta thấy lượng tro tăng mức có mặt tạp chất chất bẩn, cặn mài mòn loại tạp khác 4.1.5 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ĐÔNG ĐẶC ASTM D97 – 05a; TCVN 3753 : 2007 ASTM D2500 – 09 ASTM D2500 – 09  Hầu hết dầu mỏ sản phẩm dầu mỏ chứa sáp không tan hàm lượng nước định Vì dầu mỏ sản phẩm dầu mỏ làm lạnh, tinh thể sáp bắt đầu tách tạo thành đám tinh thể mây, tinh thể đan cài với tạo thành cấu trúc cứng, giữ dầu túi nhỏ cấu trúc  Khi cấu trúc tinh thể sáp tạo thành đầy đủ dầu không luân chuyển Khi dầu mỏ sản phẩm dầu mỏ bị giảm tính linh động cần thiết Điều đặc biệt nguy hại trường hợp sản phẩm dầu mỏ làm việc nhiệt độ thấp  Sự xuất tinh thể parafin, nước đá làm cho dầu mỏ sản phẩm dầu mỏnhư: dầu thô, xăng, điêzen, dầu bôi trơn trở lên đục hạ dần nhiệt độ mẫu • Nhiệt độ cao mà mẫu bắt dầu đùng đục mây gọi nhiệt độ hóa đục hay điểm đục (cloud point) • Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ đến nhiệt độ cao mà hệ lỏng dầu đựng ống nghiệm có mặt thoáng không thay đổi nghiêng ống nghiệm, nhiệt độ gọi nhiệt độ rót hay điểm chảy (pour point) • Ngược lại ta hâm nóng sản phẩm dầu nhiệt độ thấp nhiệt độ rót, đến nhiệt độ tinh thể sáp biến mất, nhiệt độ gọi nhiệt độ chảy hay Cách xác định: 4.1.6 XÁC ĐỊNH ĐỘ ĂN MÒN TẤM ĐỒNG ASTM D130 – 04; TCVN 2694 : 2007 Dầu thô chứa hợp chất chứa lưu huỳnh, phần lớn hợp chất loại khỏi dầu trình chế biến Tuy nhiên, hợp chất lưu huỳnh lại dầu bôi trơn thành phẩm se gây ăn mòn nhiều kim loại khác nhau, Tiêu chuẩn quy định phương pháp xác định độ ăn mòn đồng xăng hàng không, nhiên liệu tuốc bin hàng không, xăng động cơ, dung môi sạch, dầu hỏa, nhiên liệu điêzen, dầu FO nhẹ, dầu bôi trơn… Cách tiến hành (đọc tài liệu) 4.1.7 PHÉP THỬ CHỐNG MÀI MÒN VÀ CHỊU ÁP CAO ASTM D4172 – 94 (2010) Một tính dầu mỡ bôi trơn làm giảm mài mòn học phận chi tiết máy tiếp xúc, cọ xát vào Sự mài mòn định nghĩa dần vật liệu cách không mong muốn hay hai bề mặt không bóng chi tiết máy tạo nên chúngg chuyển động cọ xát vào Các nguyên nhân gây mài mòn học chi tiết chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, kỹ thuật khí hay độ dày màng dầu không đủ lớn, máy làm việc điều kiện khắc nghiệt như: nhiệt độ môi trường tải trọng cao, tốc độ chậm tốc độ nhanh, tải trọng nhẹ Thuộc tính chống mài mòn dầu bôi trơn thường tiến hành máy bốn bi theo tiêu chuẩn ASTM D4172 – 94 (2010) (đặc tính chống mài mòn chất lỏng bôi trơn) Phương pháp thử xác định tính chống mài mòn dầu bôi trơn tiếp xúc trượt điều kiện định trước: Đường kính bốn viên bi 12,7 mm: - Lực tác dụng lên viên bi 147N 392 N - Nhiệt độ trình thử nghiệm trì 750C - Viên bi cho quay với tốc độ 1200 vòng/phút - Thời gian thử nghiệm 60 phút  Dầu bôi trơn rót vào cốc có chứa viên bi cố định Điều quan trọng phải đảm bảo dầu ngập phần tiếp xúc viên bi thử nghiệm  Các loại dầu bôi trơn so sánh với cách vào kích thước trung bình đường kính vết mài ba viên bi cố định Hình 2.37: Máy bốn bi ... TRIỂN NGÀNH DẦU NHỜN  Cách 100 năm, chí người chưa có khái niệm dầu nhờn  Tất loại máy móc lúc bôi trơn dầu mỡ lợn sau dùng dầu ôliu, dầu thảo mộc khác (như dầu cọ)  Khi ngành chế biến dầu mỏ đời,... cặn dầu mỏ pha thêm vào dầu thực vật mỡ lợn với tỉ lệ thấp để tạo dầu bôi trơn, từ năm 1867 cặn dầu mỏ chế dùng làm dầu nhờn  Năm 1870 Creem (Nga), nhà máy Xakhanxkiđơ bắt đầu chế tạo dầu nhờn. .. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA DẦU NHỜN  Dầu nhờn để bôi trơn cho động hoạt động vận hành thực tế hỗn hợp bao gồm: • Dầu gốc • Phụ gia 1.1.1 Dầu gốc  Dầu gốc dầu thu sau trình chế biến, xử lý tổng hợp