Bài giảng Nhiên liệu và môi chất chuyên dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG. PGS.[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PGS TS Nguyn Vn Nhn

NHIÊN LIệU & MÔI CHÊT CHUY£N DôNG

(Bài giảng dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật-Công nghệ tại ĐHNT)

- - Chương

TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 PHÂN LOẠI NHIÊN LIỆU

Nhiên liệu chất cháy sinh nhiệt cháy, ví dụ : than, củi, xăng, dầu, khí đốt, khí hố lỏng, v.v

Bảng 1-1 Phân loại tổng quát nhiên liệu

Tiêu chí phân loại Loại nhiên liệu

Trạng thái tồn điều kiện áp suát nhiệt độ khí

- Khí đốt : khí mỏ, khí lị ga, khí thắp, khí lị cao, khí hố lỏng, v.v

- Nhiên liệu lỏng : xăng, dầu hoả, gas oil, benzol, cồn, dầu

solar, dầu mazout, v.v

- Nhiên liệu rắn : than đá, than bùn, củi, v.v Nguyên liệu để sản

xuất nhiên liệu

- Nhiên liệu gốc dầu mỏ : xăng, dầu diesel, dầu hoả, v.v - Nhiên liệu thay : xăng tổng hợp, cồn, hydro, v.v

Mục đích sử dụng

- Nhiên liệu dùng cho động phát hoả tia lửa : xăng, cồn, khí đốt, v.v

- Nhiên liệu diesel : gas oil, mazout, khí đốt, v.v

- Nhiên liệu máy bay : xăng máy bay, nhiên liệu phản lực

Công nghệ sản xuất

- Xăng chưng cất trực tiếp - Xăng cracking

- Xăng reforming - Nhiên liệu tổng hợp - Nhiên liệu chưng cất

- -

1) Khí mỏ - cịn gọi khí tự nhiên (natural gas) - hỗn hợp loại khí khai thác từ mỏ khí đốt mỏ dầu lịng đất Khí mỏ phân loại thành : khí đồng hành, khí khơng đồng hành khí hồ tan

Khí đồng hành - khí tự có mỏ dầu

Khí khơng đồng hành - khí khai thác từ mỏ khí đốt lịng đất

không tiếp xúc với dầu thô mỏ dầu

Khí hồ tan - khí hồ tan dầu thô khai thác từ mỏ dầu

Thành phần khí mỏ khác tuỳ thuộc vào vị trí địa lý mà khí mỏ khai thác, nhiên chúng chứa chủ yếu methane (CH4), ethane (C2H6)

một lượng nhỏ chất khác dioxide carbon (CO2), nitơ (N2), helium (He), v.v

Ngồi cơng dụng làm nhiên liệu cho động cơđốt trong (ĐCĐT) nói riêng nhiên liệu nói chung, khí mỏ cịn sử dụng làm ngun liệu để sản xuất phân hoá học, vật liệu tổng hợp, v.v.

2) Khí lọc-hố dầu -các loại khí thu q trình chế biến dầu mỏ, ví dụ

: khí thu trình chưng cất trực tiếp, nhiệt phân, cracking, v.v

3) Khí lị ga(producer gas) - khí đốt thu cách khí hố loại nhiên

liệu rắn than đá, than nâu, than củi, gỗ, v.v nhiệt độ cao Tồn q trình khí hố

được tiến hành loại thiết bị có tên lị sinh khí Hình 1-1 giới thiệu sơ đồ lị sinh khí số thơng số cơng tác q trình khí hố than đá

≈ 1300 0C 900 - 1100 0C

500 - 900 0C 150 - 500 0C

KK + H2O

KhÝ lß ga

5 4 3 2 1

H 1-1 Sơđồ lị sinh khí

- -

Nguyên lý hoạt động lị sinh khí sau : khơng khí thổi vào lị từ phía ; phía ghi lị, than đá đốt cháy theo phản ứng toả nhiệt :

C + O2 = CO2 + 406000 kJ/kmol (1.1)

Khu vực diễn q trình cháy nói gọi tầng cháy, khu vực phía

tầng cháy tầng khử Tại tầng khử diễn loại phản ứng thu nhiệt : CO2 + C ⇔ 2CO - 176000 kJ/kmol (1.2)

H2O + C ⇔ CO + H2 - 132000 kJ/kmol (1.3)

Phản ứng (1.2) (1.3) phản ứng chiều Tỷ số CO/CO2được hình thành

phản ứng (1.2) H2/H2O phản ứng (1.3) phụ thuộc trước hết vào nhiệt độ khu vực

diễn phản ứng Ở nhiệt độ 700 0C , CO/ CO2≈ H2/ H2O ≈ 2,3 ; nhiệt độ 1000 0C

, CO/ CO2 ≈ 165 H2/ H2O ≈ 103 Trong trường hợp sản xuất khí lị ga từ than đá,

người ta thường thổi lượng định nước vào lò với khơng khí Mục

đích việc sử dụng nước làm giảm nhiệt độở tầng cháy nhằm bảo vệ phận lò tiếp xúc trực tiếp với than tro có nhiệt độ cao Nếu khơng có nước, nhiệt độ khu vực ghi lị có thểđạt tới 1700 0C Ngồi ra, nước có tác dụng làm tăng chất lượng khí lị ga nhờ tăng hàm lượng H2 từ trình phân huỷ

H2O

Tuỳ theo chiều cao lò, nhiệt độ tầng khử dao động khoảng 900-1100

0C Phía t

ầng khử tầng chưng cất có nhiệt độđược trì khoảng 500-900

0C T

ại tầng chưng cất, hầu hết thành phần dễ bay nhiên liệu rắn hút ngồi với thành phần khác khí lị ga

Khí lị ga hỗn hợp CO, H2 ,CH4 , CO2 , N2 , nước, số loại

hydrocarbon Thành phần trung bình khí lị ga sau : 27 % CO, % H2 , % CH4

, % CO2 , 58 % N2 [7]

Khí lị ga sử dụng làm nhiên liệu cho động động ga, turbine khí, ngành luyện kim, thuỷ tinh, đồ gốm, v.v Nó có ưu điểm có số octan cao (RON ≈

100), có nhiệt trị thấp ( H ≈ 5650 kJ/m3 ) chứa nhiều N2

4) Khí thắp(illuminating gas) - Khí đốt sản xuất quy mô công nghiệp từ

các loại nhiên liệu rắn lỏng : than đá, than nâu, dầu, v.v Các loại khí thắp phổ

biến khí ướt (water gas), khí dầu (carbureted water gas) khí than (coal gas)

Khí ướt thu cách thổi nước qua lớp than đá coke có nhiệt độ cao Thành phần chủ yếu khí ướt CO H2

- -

Bảng 1-2 Một số tính chất của khí đốt [7]

Loại khí đốt ρ

[kg/m3] ON

H [kJ/m3]

L0

[m3/m3]

Hh (λ= 1)

[kJ/m3]

Khí mỏ 0,695 - 34.700 9,5 3.400

Khí lị ga 1,015 - 5.650 1,2 2.600

Khí thắp 0,614 90 17.000 3,9 3.250

Khí coke 0,468 90 13.000 4,5 3.350

Carbon monoxide (CO) 1,147 100 12.100 2,4 3.500

Hydrogen (H2) 0,082 70 10.200 2,38 3.000

Methane (CH4) 0,655 110 36.000 9,5 3.400

Propane (C3H8) 1,80 - 83.000 23,8 3.300

Butane (C4H10) 2,37 - 110.000 31 3.400

Bảng 1-3 Thành phần của một số loại khí lọc-hố dầu [1]

Thành phần [ % vol ] Chưng cất trực tiếp Nhiệt phân Cracking xúc tác

Hydrogen (H2) 12 –

Methane (CH4) 14 – 16 55 – 57 10

Ethane (C2H6) – 17 – –

Propane (C3H8) – 28 0,5 16 – 20

Butane (C4H10) 14 – 34 0,2 42 – 46

Ethylene - 16 – 18

Propylene - – – 11

Buthylene - – 5 –

Hydrocarbon có C > 14 – 30 – - 12

5) Khí hố lỏng

Các loại khí đốt chưa hố lỏng có giá thành thấp, việc vận chuyển phân phối phức tạp Khí đốt thường cung cấp đến nơi tiêu thụ hệ thống đường ống từ áp suất cao đến áp suất trung bình áp suất thấp Khí hố lỏng có ưu điểm hẳn khí chưa hố lỏng chỗ có nhiệt trị thể tích lớn (nhiệt lượng sinh đốt cháy

đơn vị thể tích nhiên liệu), nên thích hợp dùng làm nhiên liệu cho động ôtô

ở nơi chưa có hệ thống ống dẫn khí đốt

Khí tự nhiên qua xử lý, chế biến hố lỏng gọi khí tự nhiên hố lỏng (Liquefied Natural Gases - LNG); cịn khí đốt thu trình chế biến dầu mỏ

- -

Thành phần khí hố lỏng propane (C3H8) butane (C4H10) , ngồi khí

hố lỏng cịn chứa lượng nhỏ hydrocarbon khác : ethane (C2H6), pentane

(C5H10), ethylene (C2H4), propylene (C3H6), buthylene (C4H8) đồng phân (isomer)

của chúng

Trước kia, khí hoá lỏng sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho ĐCĐT, công

nghiệp thuỷ tinh, đồ gốm, gia dụng, v.v Khi sử dụng để chạy động ôtô, khí hố lỏng thường chứa bình áp suất khoảng 16 bar Hiện nay, ứng dụng trên, khí hố lỏng cịn phân tách thành cấu tử riêng biệt để làm nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác sản xuất cao su nhân tạo, vật liệu tổng hợp, phẩm màu, dược liệu, v.v

6) Xăng - Xăng hỗn hợp nhiều loại hydrocarbon khác có nhiệt độ sơi khoảng 25 ÷ 250 0C Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất xăng dầu mỏ Ngoài ra, xăng tổng hợp từ số loại nguyên liệu khác than đá, than nâu, đá phiến nhiên liệu, khí mỏ, v.v Căn vào mục đích sử dụng, xăng phân loại thành : xăng công nghiệp, xăng ôtô xăng máy bay

Xăng công nghiệp tên gọi chung cho loại xăng khơng thuộc nhóm xăng

dùng làm nhiên liệu cho động Xăng công nghiệp thường phân đoạn hẹp xăng chưng cất trực tiếp với thành phần phân đoạn hẹp, ví dụ : 70 ÷ 120 0C, 165 ÷ 200 0C, v.v

, sử dụng công nghiệp cao su, sơn, ép dầu ngành công nghiệp khác Xăng ôtô tên gọi chung cho loại xăng dùng để chạy động xăng thường gặp nay, : động xăng ôtô, xe máy, xuồng cao tốc, động xăng lai máy phát điện,v.v

Xăng máy bay dùng để chạy động máy bay loại piston turbine khí

7) Dầu hoả - sản phẩm trình chưng cất dầu mỏ, chứa loại hydrocarbon có số nguyên tử carbon phân tử từ đến 14, sôi khoảng nhiệt độ

150-300 0C

Căn vào mục đích sử dụng, phân biệt : dầu hoả động cơ, dầu hoả kỹ

thuật dầu hoả dân dụng

Dầu hoả động dầu hoả làm nhiên liệu cho động nhiệt Trước năm 60, dầu hoả sử dụng để chạy động phát hoả tia lửa có tỷ số nén thấp (ε≤ ) động diesel thấp tốc Hiện nay, dầu hoảđộng chỉđược sử dụng cho turbine khí động phản lực

Dầu hoả kỹ thuật dùng làm dung mơi, ngun liệu cho q trình nhiệt

- -

Bảng 1-4 Chỉ tiêu chất lượng của LPG của PETROLIMEX [2] Chỉ tiêu chất lượng Mức qui định Phương pháp thử Tỷ khối

- 15

d max - d@600F max

0,5531 0,5533

ASTM - D.1657

2 Áp suất bão hoà 37,8 0C , [kPa] 480 - 820 ASTM - D.2598 Thành phần , [% mol ]

- Ethane - Propane - Butane

0.2 - 1,0 30 - 40 60 - 70

ASTM - D.2163

4 Nhiệt trị , [kcal/kg] 40000 - 55000 ASTM - D.2598

5 Hàm lượng sulphur , [ppm] max

170 ASTM - D.2784

6 Hàm lượng hydrogen sulfide , [ppm] Negative ASTM - D.2420

7 Nước tự Không

8 Ăn mòn đồng 37,8 0C No ASTM - D.1838

Bảng 1-5 Dầu hoả theo tiêu chuẩn ASTM - D.3699-90

Các chỉ tiêu Mức qui định Phương pháp thử Thành phần cất , [ 0C] : - t10 , max

- FBP , max

205 300

ASTM - D.86 Điểm chớp lửa cốc kín , [ 0C] , 38 ASTM - D.56 Độ nhớt động học 40 0C , [cSt] ,

min/max

1,0 / 1,9 ASTM - D.445 Hàm lượng sulphur , [ % wt ] , max

- Loại 1- K - Loại 2- K

0,04 0,03

ASTM - D.1266

5 Hàm lượng mercaptan , [ % wt ] , max 0,003 ASTM - D.3227 Điểm đông đặc , [ 0C ] , max - 30 ASTM - D.2386 Ăn mòn đồng 100 0C , , max No ASTM - D.130

- -

Bảng 1-6 Dầu hoả theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 6240 - 1997 [2] Các chỉ tiêu Mức qui định Phương pháp thử Thành phần cất , [ 0C ] : - t10 , max

- FBP , max

205 300

TCVN 2698 - 95 Điểm chớp lửa cốc kín , [ 0C ] , 38 ASTM - D.93

TCVN 2693 - 90 Độ nhớt động học 40 0C , [ cSt ] 1,0 - 1,9 ASTM - D.445

4 Hàm lượng lưu huỳnh , [ % wt ] , max 0,3 ASTM - D.129 TCVN 2708 - 78

5 Hàm lượng mercaptan , [ % wt ] Âm tính ASTM - D.4952

6 Chiều cao lửa khơng khói , [mm ] ,

20 ASTM - D.1322

7 Ăn mòn đồng 100 0C , , max No ASTM - D.130

TCVN 2694 - 95

8) Gas oil - là tên gọi thương mại phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sơi khoảng 180 ÷ 360 0C, chứa loại hydrocarbon có số nguyên tử carbon phân tử từ

11 đến 18 Gas oil coi loại nhiên liệu thích hợp cho động diesel cao tốc Ngoài ra, gas oil dùng làm nguyên liệu công nghệ nhiệt phân cracking

9) Dầu diesel tàu thủy (marine diesel oil) - gọi dầu solar) - phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sơi khoảng 300 ÷ 400 0C Dầu diesel tàu thủy sử

dụng cho nhiều mục đích khác nhau, : làm nhiên liệu cho động diesel có tốc độ

quay trung bình thấp (n < 1000 vg/ph) ; làm chất bôi trơn-làm mát q trình cắt, dập, tơi kim loại ; để tẩm da dùng công nghiệp dệt, v.v

10) Fuel Oil (FO) - tên gọi chung loại nhiên liệu chứa phân đoạn

dầu mỏ có nhiệt độ sơi ts > 350 0C Tuỳ thuộc vào nhiệt độ chưng cất, công nghệ chế

biến, cách thức pha chế, v.v , FO có nhiều tên gọi thương mại khác nhau, : mazout,

dầu cặn, dầu nặng, dầu đốt lò, Bunkier B, Bunkier C, v.v

Mazout phần lại sau chưng cất dầu mỏở áp suất khí quyển, chiếm khoảng nửa khối lượng dầu mỏ Mazout có độ nhớt hàm lượng tạp chất cao nhiều so

với phần cất ; sử dụng làm nhiên liệu cho động diesel thấp tốc, dùng để đốt lò nguyên liệu cho công đoạn chế biến dầu mỏ chưng cất chân không, cracking, v.v

- -

chất chứa lưu huỳnh (S) Benzol có khả chống kích nổ cao (RON ≈ 105) nên

loại nhiên liệu tốt cho động phát hoả tia lửa Trước kia, benzol thường sử

dụng để hoà trộn với xăng với hàm lượng tới 40 % để làm nhiên liệu cho động

xăng

12) Alcohol - Dẫn xuất hydrocarbon có chứa nhóm hydroxyl (OH) ngun tử carbon bão hồ Tuỳ theo đặc điểm nguyên tử carbon kết hợp với nhóm OH mà alcohol gọi bậc ( CH2 – OH ) , bậc hai ( CH – OH ) bậc ba ( C – OH )

Các hợp chất mà nhóm OH nối với ngun tử C có nối đơi gọi enol, cịn nối với ngun tử C vịng thơm gọi phenol

Cho đến có hai loại alcohol sử dụng quy mô công nghiệp làm nhiên liệu cho động phát hoả tia lửa ethyl alcohol (C2H5OH) methyl alcohol

(CH3OH) Chúng gọi etanol metanol không chứa nước

Etanol chất lỏng không màu, sản xuất cách lên men sản phẩm nông nghiêp ngũ cốc, khoai tây, mía đường ,v.v

Metanol chất lỏng suốt có mùi đặc trưng, sản xuất cách chưng khô gỗ tổng hợp từ than hydrogen Khác với etanol, metanol gây nhiễm

độc nặng cho thể người động vật thâm nhập vào thể

Cho đến có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng metanol etanol làm

nhiên liệu cho động phát hoả tia lửa Các kết nghiên cứu cho thấy rằng, etanol metanol dùng dạng nguyên chất hỗn hợp với xăng để chạy

động xăng Nếu sử dụng dạng nguyên chất, cần cải hoán số phận

hệ thống cung cấp nhiên liệu hệ thống khởi động để việc khởi động động dễ

dàng

Bảng 1-8 Tính chất nhiệt động cơ bản của một số loại nhiên liệu lỏng [7] Tính chất Xăng Ethanol Methanol Benzol Gas oil Dầu hoả Khối lượng

riêng, [kg/dm3]

0,72-0,76

0,789 0,793 0,88

0,84-0,88

0,81 Áp suất hơI

bão hoà, [bar]

0,6-0,8 0,18 - 0,3 0,01

0,15-0,20 Nhiệt trị,

[kJ/kg]

43000- 44000

27000 19500 40500

35000-44000

40500 Lượng không

khí lý thuyết, [m3/kg]

11,8 7,3 5,3 10,8 11,7 12,0

Nhiệt ẩn hoá

hơi, [kJ/kg]

- - 10

1.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DÙNG CHO ĐỘNG CƠĐỐT TRONG Quá trình đốt cháy nhiên liệu loại động đốt (ĐCĐT) phép diễn thời gian ngắn, từ vài phần trăm đến vài phần ngàn giây Tuỳ thuộc vào chủng loại động mà nhiên liệu phải đáp ứng yêu cầu khác Ở động hình thành hỗn hợp cháy bên nhưđộng carburetor động

phun xăng, nhiên liệu phải loại dễ bay để hoà trộn nhanh với khơng khí vào xylanh Ởđộng diesel, nhiên liệu phải phun vào buồng đốt dạng sương mù hồ trộn với khơng khí khoảng thời gian ngắn

Những yêu cầu mà nhiên liệu dùng cho ĐCĐT phải đáp ứng bao gồm : - Hồ trộn dễ dàng với khơng khí cháy nhanh,

- Có nhiệt trị thể tích cao (khi cháy toả nhiều nhiệt từ đơn vị thể tích nhiên liệu),

- Sản phẩm cháy không gây ô nhiễm môi trường,

- Vận chuyển, bảo quản phân phối dễ dàng

Nhiên liệu khí có ưu điểm lớn dễ hồ trộn với khơng khí để tạo thành hỗn hợp cháy đồng có số octane cao xăng, nhiên liệu tốt cho

động phát hoả tia lửa điện Khi cháy hồn tồn, nhiên liệu khí khơng để

lại tro cặn Nhược điểm nhiên liệu khí có nhiệt trị thể tích thấp, sử dụng cho động ôtô phải chứa bình có áp suất lớn (tới 200 bar ), tầm hoạt động ôtô bị hạn chế

Than đá sử dụng để chạy ĐCĐT R Diesel đăng ký Mỹ

ngày 16 tháng năm 1895 sáng chế số 542846, mơ tả loại động chạy than đá dạng bột tự bốc cháy nạp vào xylanh chứa khơng khí bị nén

đến áp suất nhiệt độ cao Động hoạt động theo nguyên lý nói có hiệu suất cao sớm bị thay loại động dùng nhiên liệu lỏng tiện lợi nhiều

Trong thời gian xẩy khủng hoảng lượng thập kỷ 70, ý tưởng sử dụng than

để thay nhiên liệu gốc dầu mỏ lại đề cập đến Nhiều cơng trình nghiên cứu sử

dụng than bột để chạy động tuabin khí, than bột hoà trộn với nước dầu để chạy

động diesel cho kết khả quan

1.3 CÁC LOẠI HYDROCARBON CÓ TRONG DẦU MỎ

Dầu mỏ nguyên liệu gốc để chế biến hầu hết loại nhiên liệu chất bôi trơn dùng cho ĐCĐT Hàm lượng chất hoá học dầu mỏ dao động

trong phạm vi sau : 81-87 % C ; 10-14 % H2 ; 0-6 % S ; 0-7 % O2 ; 0-1,2 % N2

- - 11

Mặc dù có hai nguyên tố chủ yếu C H, dầu mỏ chất phức tạp mặt hoá học Các nguyên tử C H dầu mỏ có khả kết hợp với theo cách thức tỷ lệ khác nhau, tạo thành hợp chất gọi hydrocarbon (CnHm) Tính chất lý hố nhiên liệu chất bôi trơn sản xuất từ

dầu mỏ phụ thuộc nhiều vào hàm lượng nhóm hydrocarbon khác có

trong nguyên liệu gốc Có thể chia tất hydrocarbon có dầu mỏ thành nhóm : Parafin (CnH2n+2), Naphthene (CnH2n), Aromatic (CnH2n-6) nhóm loại hydrocarbon

khác

1) Parafin - loại hydrocarbon có cơng thức hố học chung CnH2n + Các

phân tử parafin thường có cấu trúc mạch thẳng với liên kết đơn nguyên tử

carbon (C) hoàn toàn bão hoà nguyên tử hydro (H) nên gọi hydrocarbon bão hoà

n-Pentane (C5H12)

n-Propane (C3H8)

H H H

H H H H H H H H H H H H H H H H H

Metane( CH4 )

H

H

H C H C C C C C C C C

H 1-2 Cấu trúc phân tử của parafin thường

H H H C H H H C H H H H H H H C H H H C H

H C C C C C H

H H H H H H H H H H H

H H H

H

C

C C C C C

H

H

2-M ethylhexane (C7H16) H

H C

2,2-D im ethylpentane (C7H16)

H C

C C

C C

H

H H H H H

H H H

3-Ethylpentane (C7H16)

- - 12

Chữ n đặt trước tên gọi parafin để loại parafin thường (normal paraffin)

Trong dầu mỏ, ngồi parafin thường, cịn có đồng phân (isomer) chúng Đó hydrocarbon có số nguyên tử carbon hydro phân tử, có cấu trúc phân tử khác Dưới ví dụ cấu trúc phân tử isomer

của n-heptane methylhexane, dimethylpentane ethylpentane Chúng có cơng thức hố học n-heptane (C7H16 ) có cấu trúc phân tử kiểu mạch nhánh với

các nhóm methyl (CH3) ethyl (C2H5)

Trong tên gọi isomer nói trên, methyl ethyl tên nhóm CH3 C2H5 ;

pentane, hexane số nguyên tử carbon lại phần cấu trúc mạch thẳng; số

2, vị trí nguyên tử carbon liên kết với nhóm methyl ethyl

2) Naphthene - cịn gọi Cyclane Cycloparafin, có cơng thức hoá học chung CnH2n Phân tử naphthene có cấu trúc kiểu mạch vịng, vịng

nguyên tử C liên kết với nguyên tử C khác mối liên kết đơn Ví dụ :

C y c lo p r o p a n e ( C3H6 ) C C C H H H H H H H H C C C C C C H H H H H H H

M e th y lc y c l o p e n ta n e ( C6H1 )

H H

H

H 1-4 Cấu trúc phân tử của naphthene

H

H C

H

1 ,4 D im ethylb enzen e ( C8H10 )

H H C C C C C C H H C H H H H C

B enzen e ( C6H6 )

H H C C C C C C H H H H H H H C C C C C C H H

M ethylenzen e ( C7H8 )

(T olu ene)

H H

- - 13

3) Aromatics - là loại hydrocarbon có cơng thức hố học chung CnH2n –

cấu trúc phân tử có nhân benzene với nguyên tử C liên kết với liên kết đơi liên kết đơn Ví dụ :

4) Một số loại hydrocarbon khác

Olefin (CnH2n) - có cấu trúc phân tử kiểu mạch thẳng giống parafin

nhưng có liên kết đôi nguyên tử C Với số lượng nguyên tử C, phân tử

olefin có số nguyên tử H hơn, olefin gọi hydrocarbon chưa bão hồ Ví dụ :

H 1-6 Cấu trúc phân tử của olefin

Mối liên kết đơi nằm vị trí Chữ số đứng trước tên olefin

chỉ vị trí mối liên kết đơi tính từ phía có số nguyên tử C

Diolefin (CnH2n-2) - có cấu trúc phân tử giống olefin, có mối

liên kết đơi mạch thẳng Ví dụ :

H 1-7 Cấu trúc phân tử của diolefin

H H H H H

H - C - C - C = C - C - C - C - H 3- Heptene (C7H14)

H H H H H H H

H H H

H - C = C - C - C - C = C - C - H 1,5- Heptadiene (C7H12)

- - 14

1.4 QUAN HỆ GIỮA CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA HYDROCARBON VÀ TÍNH CHỐNG KÍCH NỔ CỦA NHIÊN LIỆU

Cấu trúc phân tử hydrocarbon có ảnh hưởng lớn đến tính chống kích nổ nhiên liệu

Cấu trúc phân tử parafin tính chống kích nổ có mối quan hệ sau :

- Mạch carbon dài tính chống kích nổ

- Các nhóm methyl vị trí thứ mạch carbon có tác dụng làm tăng tính chống kích nổ

Một số thí nghiệm cho thấy : hydrocarbon chưa bão hồ có tính chống kích nổ tốt hydrocarbon bão hoà tương ứng, trừ trường hợp ethylene (C2H4),

acetylene (C2H2) propylene (C4H8)

Tính chống kích nổ cấu trúc phân tử aromatic naphthene có quan hệ

như sau :

- Naphthene có tính chống kích nổ nhiều so với aromatic tương ứng Thí dụ cyclohexane (C6H12) có tính chống kích nổ benzene (C6H6)

- Một liên kết đơi có hiệu chống kích nổ hai ba liên kết đơi - Tăng chiều dài mạch cấu trúc phía làm giảm khả chống kích nổ, phân nhánh cấu trúc lại làm tăng khả chống kích nổ

Nói chung, cấu trúc phân tử hydrocarbon “ ” tính chống kích nổ

càng cao

1.5 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA NHIÊN LIỆU GỐC DẦU MỎ

Nhiên liệu lỏng chế biến từ dầu mỏ có thành phần hố học chủ yếu carbon (C) hydro (H2) Ngoài ra, chúng chứa số chất khác với hàm

lượng nhỏ : lưu huỳnh (S), oxy (O2), v.v Thành phần hoá học nhiên liệu lỏng

thường thể sau :

c + h + s + of + = [kg] (1.4)

trong : c, h, s, of số phần trăm tính theo khối lượng chất carbon, hydro, lưu

huỳnh, oxy, v.v có kg nhiên liệu

Nhiên liệu khí dùng cho ĐCĐT thường hỗn hợp loại khí cháy khí trơ, ví dụ : CH4, C2H2, H2, CO, CO2, N2, v.v Người ta thường dùng cơng thức hố học

của chất khí để thể hàm lượng tính theo % thể tích chất khí biểu diễn thành phần m3 kmol nhiên liệu khí sau :

- - 15

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU DÙNG CHO ĐCĐT

1.6.1 CƠNG NGHỆ LỌC - HỐ DẦU

Cho đến nay, nguyên liệu để sản xuất loại nhiên liệu dùng cho ĐCĐT dầu mỏ Các loại ĐCĐT thông dụng động xăng, động diesel,

động phản lực, v.v không chạy dầu thô Dầu thô phải chế biến để tạo

ra loại nhiên liệu thích hợp cho loại động Dưới giới thiệu số cơng nghệ lọc - hố dầu phổ biến

1) Chưng cất phân đoạn - Cơng nghệ phân tách loại hydrocarbon khác có dầu mỏ cách cho chúng bay làm ngưng tụ theo phân đoạn khác nhiệt độ sôi gọi chưng cất phân đoạn (fractional distillation) Quá trình chưng cất tiến hành điều kiện áp suất khí gọi chưng cất trực tiếp ; tiến hành điều kiện chân khơng gọi chưng cất chân không Điểm đặc trưng công nghệ chưng cất phân đoạn không làm thay đổi loại hydrocarbon mặt hoá học mà phân tách chúng thành nhóm theo khoảng nhiệt độ sôi khác

Chưng cất phân đoạn công nghệđược sử dụng sớm để sản xuất nhiên liệu cho ĐCĐT từ dầu mỏ, có xăng Hiên nay, nhu cầu xăng so với loại nhiên

liệu khác vượt xa lượng xăng thu từ dầu mỏ cơng nghệ chưng cất phân

đoạn Điều dẫn đến phát triển số cơng nghệ lọc-hố dầu khác nhằm thu

được tỷ lệ xăng lớn hơn, ví dụ : cracking, polymer hố, isomer hố, v.v

2) Craking - Công nghệ chế biến dầu mỏ, phân đoạn nặng dầu

mỏ chế biến thành phân đoạn nhẹ cách bẻ gãy cấu trúc phân tử hydrocarbon nặng thành hydrocarbon nhẹ Ví dụ :

C14H30 → C7H16 + C7H14 (1.6)

Nguyên liệu cracking dầu hoả, gas oil, mazout, gudron dầu mỏ Sản

phẩm thu khí cracking, xăng, dầu hoả, gas oil cặn cracking Trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, có hai phương pháp cracking sử dụng rộng rãi cracking nhiệt cracking xúc tác

- Cracking nhiệt : Quá trình cracking tiến hành điều kiện nhiệt độ cao (400-550 0C ) khơng có chất xúc tác

- - 16

(isomer) nhiều hơn, xăng cracking xúc tác có tính chống kích nổ cao Cracking xúc tác thực tếđã thay cracking nhiệt sử dụng để chế biến khoảng 40 % tổng sản lượng xăng

3) Polymer hố (polymerization) - Cơng nghệ sản xuất xăng từ hydrocarbon

thể khí cách kết hợp hai nhiều phân tử hydrocarbon nhỏ thành phân tử

hydrocarbon có nhiệt độ sơi phạm vi nhiệt độ sơi xăng Ngun liệu cho cơng nghệ polymer hố thường butane, propane hỗn hợp butane-propane 100 % sản phẩm thu olefin, chủ yếu olefin C8 C9 Q trình polymer hố

hiện thường tiến hành điều kiện áp suất tới 50 bar, nhiệt độ tới 700 0C

có chất xúc tác

4) Isomer hố Alky hố( isomerization, alkylation ) - Trong q trình isomer hố, parafin thường có cấu trúc mạch thẳng biến đổi thành isoparafin có cấu trúc mạch nhánh Trong q trình alky hố, phân tử olefin isoparafin thể khí

được kết hợp thành phân tử isoparafin lỏng, thí dụ : Butene + Isobutane → Isooctane

Cả hai trình tiến hành tác dụng chất xúc tác nhằm

mục đích tạo isoparafin có tính chống kích nổ cao

5) Reforming- Khác với cơng nghệ lọc-hố dầu giới thiệu trên, reforming khơng nhằm mục đích tăng sản lượng xăng mà để chế biến xăng có tính chống kích nổ

kém thành xăng có tính chống kích nổ tốt Bản chất công nghệ reforming biến đổi hydrocarbon loại naphthene thành loại aromatic thông qua phản ứng khử

hydrogen

Xăng reforming có số octan cao 100 Khoảng 40 % xăng ôtô

- - 17

- - 18 Chương

TÍNH CHẤT LÝ-HỐ CỦA SẢN PHẨM DẦU MỎ

Tính chất lí-hố sản phẩm dầu mỏ (SPDM) có liên quan trực tiếp đến khả

năng hiệu sử dụng chúng Có tính chất mật độ, độ nhớt, hàm lượng tạp chất, v.v quan tâm đến nhiều lĩnh vực sử dụng khác Ngược lại, có tính chất có ý nghĩa SPDM sử dụng vào mục đích cụ thể đó, ví dụ : tính chống kích nổ có ý nghĩa SPDM dùng làm nhiên liệu cho động

cơ xăng, tính tự bốc cháy có ý nghĩa SPDM nhiên liệu dùng cho động diesel, v.v Chương đề cập đến tính chất thuộc nhóm thứ nhất, cịn tính chất có ý nghĩa SPDM sử dụng làm nhiên liệu cho động xăng, động diesel làm chất bôi trơn trình bày chương 3, Khi thí nghiệm xác

định tiêu kỹ thuật SPDM cần phải tuân thủ nghiêm ngặt yêu cầu

thiết bị quy trình thí nghiệm tiêu chuẩn hố để kết thí nghiệm có tính pháp lý có giá trị so sánh Những thiết bị phương pháp xác định tính chất SPDM trình bày giáo trình nhằm mục đích giúp người đọc hiểu cách

đầy đủ chất khái niệm liên quan 2.1 MÀU SẮC

SPDM có màu sắc tự nhiên nhân tạo khác nhau, ví dụ : xăng máy bay 80/87 , 100/130 , 115/145 Mỹ theo ASTM 910-68T có màu đỏ, xanh đỏ tía, tương ứng ; xăng máy bay Β-100/130 , Β-95/130 , Β-91/115 Liên xô theo

∆ΝΘΡ 1012-72 có màu da cam sáng, vàng lục, tương ứng

Màu sắc SPDM xác định cách so sánh trực tiếp màu mẫu thử với thang màu chuẩn, ví dụ : thang màu Ostwald, thang màu UNION NPA, v.v nhiều loại màu sắc kế khác nhau, ví dụ : DUBSSQ , KH-51, v.v Hầu hết phương pháp dụng cụ xác định màu SPDM dựa theo nguyên lý chung so sánh màu mẫu thử với màu chuẩn

Màu sắc tiêu chất lượng SPDM Tuy nhiên, đơi có

ý nghĩa sử dụng Trong thực tế, màu SPDM thường sử dụng vào mục đích sau :

- Kiểm tra mắt chủng loại SPDM tiếp nhận

- - 19

Bảng 2-1 Thang màu Ostwald

Ký hiệu màu Màu chuẩn Ký hiệu màu Màu chuẩn

1 Không màu Cam đỏ

2 Vàng sáng Đỏ gạch

3 Vàng chanh Đỏ tía

4 Vàng đậm Đỏ tối

5 Cam 10 Đen

2.2 MẬT ĐỘ

Mật độ chất đại lượng đặc trưng cho số lượng chất có đơn vị thể tích So với số tiêu kỹ thuật khác, mật độ tiêu chất lượng quan trọng nhiên liệu chất bôi trơn Nó thường sử dụng vào mục đích sau :

- Tính tốn chuyển đổi thể tích khối lượng, chuyển đổi thể tích

nhiệt độ sang thể tích nhiệt độ khác

- Đánh giá sơ thành phần hoá học SPDM Nếu hai loại SPDM có nhiệt độ sơi sản phẩm có mật độ cao thường có hàm lượng hydrocarbon loại naphthene aromatic cao hơn; sản phẩm có mật độ thấp thường chứa nhiều parafin

- Đánh giá sơ nhiệt trị nhiên liệu Nhiệt trị nhiên liệu thường giảm theo chiều tăng mật độ

Mật độ SPDM có thểđược đánh giá thơng qua nhiều đại lượng khác nhau,

: khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ khối, v.v

• Khối lượng riêng - Khối lượng đơn vị thể tích chất V

m =

ρ (2.1)

trong : ρ - khối lượng riêng, [kg/m3]; V - thể tích , [m3]; m - khối lượng chất có thể tích V, [kg]

• Trọng lượng riêng - Trọng lượng đơn vị thể tích chất V

G =

γ (2.2)

trong : γ - trọng lượng riêng, [N/m3]; V - thể tích, [m3]; G - trọng lượng chất chứa thể tích V, [N]

- - 20

mm

d

2

= (2.3)

trong : d - tỷ khối; m1 - khối lượng đơn vị thể tích mẫu thử nhiệt độ t1,

[kg]; m2 - khối lượng đơn vị thể tích nước cất nhiệt độ t2, [kg]

Ở nhiều nước châu Âu, người ta chọn t1 = 15 0C , t2 = 15 0C t2 = 0C Ở Mỹ

và Anh chọn t1 = t2 = 60 0F = 15,6 0C Khi tỷ khối có ký hiệu tương ứng d1515

, 15

d d@60 0F Trị số 15 15

d , 15

4

d d@60 0F chất khơng hồn tồn Tuy nhiên, tính tốn kỹ thuật người ta thường lấy 15

15

d ≈ d154 ≈ d@60

0F

Tỷ khối SPDM xác định loại dụng cụ : tỷ khối kế, bình đo

tỷ khối, v.v Khi biết tỷ khối xác định nhiệt độ bất kỳ, quy đổi tỷ

khối tiêu chuẩn theo công thức [6] :

) 15 (

15 15

15 = d + ⋅ t−

d t α

(2.4) : d15t - tỷ khối đo nhiệt độ t ; α - hệ số hiệu chỉnh tỷ khối theo nhiệt

độ

• Độ API - 0API (American Petroleum Institute) đơn vị quy ước dùng đo mật độ SPDM, sử dụng Mỹ Giữa 0API d@60 0F có quan hệ sau :

5 , 131 60 @ 5 , 141 0 − = F d

API (2.5)

Từ công thức (2.5) thấy rằng, nước cất nhiệt độ 60 0F có mật độ 10 0API Chất lỏng có mật độ nhỏ 10 0API nặng nước, ngược lại

• Độ Baume ( 0Be ) - Đơn vị mật độ theo thang chia độ Baume' Giữa 0Be

và d có quan hệ sau :

Be

d 0

130 141

+

= (2.3)

Ngoài đơn vị kể trên, mật độ SPDM đo đơn vị khác

như : bbl/longton (barrel/longton) , lb/US gal (pound/US gallon) 2.3 ĐỘ NHỚT

2.3.1 KHÁI NIỆM ĐỘ NHỚT VÀ ĐƠN VỊ ĐO ĐỘ NHỚT

Độ nhớt - còn gọi ma sát nội - tính chất chất lỏng đặc trưng cho lực

ma sát chống lại chuyển dịch tương đối lớp chất lỏng cạnh tác dụng ngoại lực