Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm

Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm

Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩm quan trọng của nhà máy lọc dầu, nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như hoạt động sản xuất trong công nghiệp

Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơ Diesel (được phát minh ra đồng thời ở Pháp và Đức vào khoảng 1860), nó đã phát triển mạnh mẻ từ sau những năm 50 của thế kỷ trước Với nền công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại như ngày nay đã cho ra đời nhiều chủng loại với công suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người

Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ xăng, nhu cầu về xăng nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệu những cơ hội và cả những thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợi ích mà động cơ này mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môi trường sinh thái

Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt mà còn phải bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường

Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau: Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp

Động cơ hoạt động không bị kích nổ

Không kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu

Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất

Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt

Xăng nhiên liệu thu nhận được trong các nhà máy lọc dầu, ban đầu chỉ từ phân xưởng chưng cất khí quyển, tuy nhiên hiệu suất thu xăng từ quá trình này rất thấp chỉ vào khoảng 15% khối lượng dầu thô ban đầu

Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này không đủ để cung cấp cho các nhu cầu thực tế, vì vậy bắt buộc con người phải chế biến các phần thu khác nhằm thu hồi xăng với hiệu suất cao hơn, điều này đã làm xuất hiện các phân xưởng khác như phân xưởng crắckinh, alkyl hoá

Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngày càng tăng và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phải đưa ra nhiều quá trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các yêu cầu của xăng thương phẩm

Thực tế trong các nhà máy lọc dầu hiện nay xăng thương phẩm được phối trộn từ những nguồn sau:

Xăng của quá trình FCC Reformat

Xăng chưng cất trực tiếp

Xăng của quá trình isomer hoá Alkylat

Xăng của quá trình giảm nhớt, cốc hoá, các quá trình xử lý bằng hydro Xăng thu được từ các quá trình tổng hợp như Methanol, Ethanol, MBTE

Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phôi trộn, phần còn lại phụ

thuộc vào yêu cầu về chất lượng của xăng và yêu cầu của từng Quốc gia mà nguồn

Ví dụ:

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Mỹ (trước năm 2000)

ButanXăng FCC

- Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Tây Âu (trước năm 2000)

ReformatNaphta nh?IsomerisatAlkylat/PolymerisatEther

ButanXăng FCC

- Tỷ lệ phối trộn ở Pháp từ năm 2000

Reformat 35% < < 45%

Xăng FCC 15% < < 25% Xăng isomer hoá 0% < < 15% Alkylat 0% < < 20%

MTBE 0% < < 5% (trường hợp đặc biệt <15%)

1.2 Thành phân hoá học của nhiên liệu xăng

1.2.1 Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng

Như phần trên vừa nêu, xăng thương phẩm không phải là sản phẩm của một quá trình nào đó trong nhà máy lọc dầu mà nó là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ một số nguồn khác nhau, kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động của động cơ trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện vận chuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau

Thành phần hoá học chính của xăng là các hydrocacbon có số nguyên tử từ C4÷ C10 thậm chí có cả các hydrocacbon nặng hơn như C11, C12 và cả C13.Ngoài ra trong thành phần hoá học của xăng còn chứa một hàm lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơ và oxy

Với số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả ba họ hydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong xăng

Mặc dù trong thành phần của dầu mỏ ban đầu không có các hợp chất không no như ôlêfin nhưng trong quá trình chế biến đã xãy ra quá trình cắt mạch hình thành nên các hợp chất đói này, do đó trong thành phần hoá học của xăng thương phẩm còn có mặt các hợp chất đói

Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của một loại xăng super thương phẩm

Thành phần tính theo khối lượng Số nguyên

tử cacbon

Parafin % Naphten% Olefin% Diolefin% Aromatic% Tổng %

4 1.46 0 0.59 0 0 2.05 5 11.64 0.18 3.16 0.06 0 15.04

Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ hydrocacbon của một loại xăng thường thương phẩm

Thành phần tính theo khối lượng Số

nguyên tử

cacbon N-parafin %

Isoparafin %

Naphten%

Olefin %

Aromatic %

Hợp chất chứa oxy %

Tổng %

13 0 0.01 0 0 0 0 0.01

Tổng 8.29 31.1 2.92 35.49 18.66 3.5 99.96

Các cấu tử không xác định chiếm 0.4% Các giá trị được cung cấp bởi IFP

1.2.2 Thành phần hoá học của xăng

Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon

1.2.2.1 Thành phần hydrocacbon của xăng

Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i-parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl

Olefin

Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ các quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá Các olefine này cũng bao gồmhai loại n-parafin và iso-parafin

Họ naphtenic

Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thức chung là: CnH2n và các vòng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có thể có nhánh hoặc không có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn, trong đó các hợp chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, những đồng phân này thường có nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủ yếu là gốc metyl (-CH3)

Họ aromatic

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó

1.2.2.2 Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất của O2, N2, S Trong các hợp chất này thì người ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường

Trong xăng, S chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả quá trình xử lý HDS

Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ở dạng phenol và đồng đẳng

1.3 Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng

1.3.1 Xăng của quá trình reforminh xúc tác

Xăng thu được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat Đây là nguồn nguyên liệu chính để phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứa một hàm lượng các hợp chất aromatic cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95- 102)

1.3.2 Xăng cracking xúc tác:

Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu Trị số octane của xăng này khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ Thành phần hóa học chứa tới 9- 13% hydrocacbon olefine Sự có mặt của của các olefine này chính là nguyên nhân làm mất tính ổn định của xăng

1.3.3 Xăng chưng cất trực tiếp:

Phân xưởng chưng cất ở áp suất khí quyển là một phân xưởng quan trọng nhất trong nhà máy lọc dầu có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành nhiều phân đoạn khác nhau Phần hơi thu được ở đỉnh sau khi ổn định ta sẻ thu được xăng Loại xăng chưng cất trực tiếp này có chỉ số octan thấp khoảng 54- 65 nên chỉ dùng một lượng ít để phối trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5 và C6) và xăng nặng Phần xăng nhẹ thường làm nguyên liệu cho quá trình isomer hoá còn phần xăng nặng làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác

1.3.4 Alkylat

Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sản suất xăng có trị số octane cao Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phối liệu có trị số

octane cao hầu như không có tạp chất và các hợp chất aromatic đáp ứng yêu cầu sản suất xăng sạch bảo đảm các yêu cầu về động cơ và môi trường

1.3.5 Các nguồn phối liệu khác

Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồn khác như: xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa đây là các sản phẩm phụ của các quá trình

Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn, xăng kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no

Cùng các loại xăng trên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây ô nhiễm môi trường trong khói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng các cấu tử được tổng hợp từ các phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE, TAME, methanol, ethanol để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi

1.4 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng

Động cơ xăng là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của nhiên liệu khi bị đốt cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay Động cơ này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén, cháy nổ và giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hành trình 1-Kỳ nạp

Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở, xupap thải đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ0 = 0 đến 1800 Trong kỳ nạp tiêu tốn công kéo piston xuống, thể tích xi lanh tăng lên, áp suất trong xi lanh giảm xuống tạo sự chênh lệch áp suất, do đó xăng và không khí từ bộ chế hoà khí được hút vào trong xi lanh Để tăng lượng kkí nạp trong mỗi chu kỳ thì khi piston đi từ ĐCT xuống, xupap nạp được mở sớm trước ĐCT một góc ϕ1= 10÷450 và đóng muộn sau ĐCD một góc ϕ2 = 40-800 Vì vậy, quá trình nạp trên đồ thị công là: I-a-II, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ1 + 1800 + ϕ2

Đồ thị công và đồ thị phối khí

Hành trình 2-Kỳ nén

Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, cả hai xupap nạp và thải đều đóng, trục khuỷu quay từ vị trí 1800 ÷ 3600 Trong kỳ nén tiêu tốn công piston đi lên nén hỗn hợp, thể tích xi lanh giảm trong điều kiện hai van đóng nên áp suất hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh tăng lên Để chuẩn bị cho quá trình cháy được tốt thì gần cuối quá trình nén Bugi bật tia lửa điện sớm trước ĐCT, tại điểm c' Do vậy, quá trình nén trên đồ thị công là từ điểm II - c'

Hành trình 3 - cháy - giãn nở (kỳ công tác)

Piston đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xupap đều đóng, trục khuỷu đi từ vị trí ϕ = 3600 đến 5400 Trong hành trình này, nhờ quá trình cháy làm tăng áp lực trong buồng cháy và áp lực này đẩy piston đi xuống và sinh công, nó bao gồm hai quá trình: cháy và giãn nở Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c' trước ĐCT một góc đánh lửa sớm ϕ = ϕ1

= 10-300 và kết thúc tại điểm d sau ĐCT, còn quá trình giãn nở bắt đầu từ điểm d và

kết thúc tại III

Piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupap thải mở, xupap nạp đóng, trục khuỷu quay từ vị trí ϕ = 5400 đến 7200 Trong kỳ thải tiêu tốn công đưa piston đi lên và đẩy sản vật cháy ra ngoài Xupap thải được mở sớm tại điểm III trước ĐCD một góc ϕ3, nếu ϕ3

quá lớn sẽ tăng tổn thất công giãn nở ở kỳ cháy Để quá trình thải triệt để các sản vật cháy ra ngoài, xupap thải đóng muộn sau ĐCT một góc ϕ4, tại điểm IV Quá trình thải được biểu diễn trên đồ thị công là III-b-IV, được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là ϕ3+1800+ ϕ4, còn đoạn I-r-IV gọi là đoạn trùng điệp, tức cả hai van nạp và thải đều mở

Như vậy, toàn bộ chu trình công tác được thực hiện theo bốn hành trình trong hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hành trình này chỉ có một hành trình cháy và giãn nở là sinh công, còn ba hành trình khác thì phải tiêu tốn công

1.4.2 Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng

Từ việc phân tích hoạt động của động cơ xăng ở trên ta rút ra được những đặc điểm của động cơ này như sau:

Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh nó đã được phối trộn với không khí để tạo hỗn hợp cháy, như vậy độ bay hơi của xăng trong buồng cháy không phải là vấn đề lớn ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình cháy

Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khi màng lửa lan truyền đến

Khi bugie bật lửa thì quá trình cháy bắt đầu, lúc này hỗn hợp trong buồng cháy được chia thành hai phần: Phần thứ nhất là khí cháy, phần thứ hai là hỗn hợp của không khí và nhiên liệu chưa cháy (hỗn hợp công tác), trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao với sự có mặt của oxy không khí thì các hydrocacbon của nhiên liệu sẻ bị biến đổi một cách sâu sắc, cụ thể là chúng sẻ bị oxy hoá để tạo thành các hợp chất có khả năng tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền đến Trong trường hợp này, nếu như phần nhiên liệu tự bốc cháy nhiều thì nó sẻ làm tăng áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và gây ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy kích nổ

1.5 Chỉ tiêu chất lượng của xăng

Ngày nay động cơ đã trở thành một bộ phận quan trọng trong đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người Bên cạnh những lợi ích to lớn mà chúng mang lại thì động cơ cũng đồng thời thải một lượng rất lớn chất độc hại ra môi trường gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái Vì vậy, cần thiết phải đặt ra những quy định nhằm hạn chế việc thải các độc hại và thực hiện các quy định này một cách nghiêm túc

Ở gốc độ của nhiên liệu thì cần phải đặt ra cho xăng thương phẩm những chỉ tiêu nhằm bảo đảm được chất lượng đối với người sử dụng và hạn chế được lượng chất độc hại trong khói thải

1.5.1 Hiện tượng kích nổ và chỉ số octan

1.5.1.1 Hiện tượng kích nổ

Như vừa nêu ở trong phần trước, khi bugie bật lửa thì quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng cháy mới được bắt đầu tại bugie còn phần nhiên liệu nằm ở vị trị khác chỉ được cháy khi màng lửa lan truyền đến Tuy nhiên trong thực tế có một phần nhiên liệu trong buồng cháy bị oxy hoá dẫn đến quá trình tự bắt cháy khí màng lửa chưa lan truyền đến Nếu như phần nhiên liệu tự bắt cháy này đủ lớn để làm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột và tạo ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gỏ kim loại thì quá trình cháy này được gọi là cháy kích nổ

Như vậy, trong buồng cháy luôn tồn tại một sự cạnh tranh giữa quá trình cháy do màng lửa lan đến (cháy cưỡng bức) và quá trình tự bốc cháy, quá trình cháy nào chiếm ưu thế là phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau

Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được thời gian của quá trình tự bốc cháy theo công thức sau:

D = A P-nEXP(B/T)

Trong đó: A,B là các hằng số thực nghiệm

Các thông số ảnh hưởng lên thời gian tự bốc cháy bao gồm: Tỷ số nén

1.5.1.2 Bản chất của hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng

Qua phân tích ở trên cho thấy quá trình cháy trong động cơ xăng có thể là bình thường, có thể là kích nổ chúng phụ thuộc vào bản chất của nhiên liệu, kết cấu và điều kiện vận hành của động cơ

Quá trình cháy được gọi là bình thường khi mặt lửa lan truyền đều đặn với vận tốc trong khoảng 15 ÷ 40 m/s Còn khi vận tốc lan truyền của mặt lửa quá lớn khoảng 300 m/s thì quá trình cháy trong xylanh xảy ra gần như tức thời kèm theo những tiếng gỏ kim loại như vừa nêu trên thì được gọi là cháy kích nổ

Bản chất của hiện tượng kích nổ rất phức tạp, có nhiều quan điểm để giải thích khác nhau song bản chất của nó là do các hợp chất hydrocacbon trong nhiên liệu nằm ở trước mặt lửa chịu một điện kiện rất khắc nghiệt nên chúng bị biến đổi hoá học một cách sâu sắc để tạo ra những hợp chất mới có khả năng tự bùng cháy Cụ thể trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao của buồng cháy thì các hydrocacbon kém bền oxy hoá như paraffin dễ dàng bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất chứa oxy như peroxyt, hydroperoxyt, rượu, xeton, axít trong số các hợp chất này thì đáng chú ý nhất là các hợp chất peroxyt, hydroperoxyt đây là những hợp chất kém bền dễ bị phân huỷ tạo ra các gốc tự do để sinh ra các phản ứng chuổi dẫn đến sự tự bốc cháy

Khi nghiên cứu về hiện này người ta đã đi đến kết luận về khả năng chống lại sự tự bốc cháy của các hydrocacbon tăng dần như sau:

Parafin mạch thẳng < naphten < olefin mạch thẳng < naphten mạch nhánh không no < parafin mạch nhánh < aromatic

1.5.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng kích nổ lên động cơ

Hỏng join lót giữa nặp và thân máy Làm xói mòn piston và nắp

Làm vỡ “cordons” của piston và xecmăng Làm nóng chảy cục bộ piston và xupap

Ngoài những ảnh hưởng kể trên thì quá trình cháy kích nổ thường kèm theo việc thải nhiều chất độc hại ra môi trường, làm nóng máy nhanh chóng nên làm giảm nhanh tuổi thọ của động cơ

1.5.1.4 Chỉ số octan

Chỉ số octan là một đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả năng chống lại sự kích nổ của xăng, giá trị của nó được tính bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với n-heptan khi mà hỗn hợp này có khả năng chống kích nổ tương đương với khả năng chống kích nổ của xăng đang khảo sát Trong hỗn hợp này thì iso-octan có khả năng chống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại n-heptan có khả năng chống kích nổ kém và được quy ước bằng 0

Trong trường hợp trị số octan lớn hơn 100 thì để xác định trị số octan người ta cho thêm vào xăng một hàm lượng Tetraetyl chì rồi tiến hành đo Trị số octan được tính theo công thức sau:

IO = 100 +

Trong đó T là hàm lượng Tetraetyl chì ml

Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan bao gồm: Tỷ số nén

Hệ số đầy

Nhiệt độ và áp suất vào Độ giàu

1.5.1.5 Ý nghĩa của chỉ số octan

Trị số octan là một chỉ tiêu rất quan trọng của xăng khi dùng xăng có trị số octan thấp hơn so với quy định của nhà chế tạo thì sẻ gây ra hiện tượng kích nổ làm giảm công suất của động cơ, nóng máy, gây mài mòn các chi tiết máy, tạo khói đen gây ô nhiễm môi trường Ngược lại nếu dùng xăng có trị số octan cao quá sẻ gây lãng phí Điều quan trọng là phải dùng xăng đúng theo yêu cầu của nhà chế tạo, cụ thể là theo đúng tỷ số nén của động cơ, khi tỷ số nén lớn thì yêu cầu trị số octan lớn và ngược lại

1.5.1.6 Các phương pháp đo chỉ số octan

Thông thường thì chỉ số octan được đo theo hai phương pháp như sau: Phương pháp nghiên cứu (RON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2700 Phương pháp mô tơ (MON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2699

C hai ph ng pháp này u c o trên cùng m t ng c CFR (Cooperative Fuel Research) ây là ng c có m t xylanh có các thông s nh sau:

Đường kính xylanh: 82.55 mm Khoảng chạy piston: 114.30 mm Thể tích xylanh: 661 cm3

Điều kiện đo của hai phương pháp này như sau:

Các thông số làm việc RON MON Tốc độ quay

Gốc đánh lửa sớm độ trục khuỷu Nhiệt độ của không khí hút vào oC

Nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu oc

600 13 48 -

900 14 ÷ 16 38 149

Cùng một loại nhiên liệu thì RON thường lớn hơn MON, độ chênh lệch của hai phương pháp này được gọi là độ nhạy của xăng, độ nhạy càng thấp càng tốt Paraffin có độ nhạy thấp còn aromatic có độ nhạy cao Giá trị của MON cho phép dự đoán khả năng chống kích nổ ở chế độ vòng quay lớn còn RON thì cho phép dự đoán ở chế độ vòng quay nhỏ

Trong hai phương pháp đo ở trên thì tốc độ vòng quay không đổi và động cơ chỉ có một xylanh, nhưng các động cơ trong thực tế luôn có số xylanh lớn hơn một và khi động cơ chạy trên đường thì vận tốc của nó luôn thay đổi tức là chế độ vòng quay thay đổi Do đó RON và MON thường không đánh giá đúng khả năng chống kích nổ thực của xăng khi động cơ hoạt động

Cả hai phương pháp trên đều cho chỉ số octan với một tốc độ động cơ nhất định, tuy nhiên trong thực tế thì động cơ luôn hoạt động với những tốc độ khác nhau, do đó RON và MON không đánh giá hết được khả năng chống kích nổ của xăng trong thực tế

Để chính xác hơn người ta còn dùng khái niệm chỉ số octan trên đường, ký hiệu IOR Chỉ số octan này cũng được đo trên động cơ nêu trên nhưng ở điều kiện đo khác và điều đáng chú ý là vận tốc quay của trục khuỷu sẻ thay đổi theo quá trình đo Giá trị của IOR có thể cao hơn hoặc thấp hơn RON

Trị số octan trên đường được xác định theo công thức IOR = RON – S2/a

Trong đó : S độ nhạy, S = RON – MON

Mặt khác do xăng chứa nhiều thành phần có sự khác biệt khá lớn về khả năng chống kích nổ Thông thường thì phần có nhiệt độ sôi thấp (ngoại trừ izo pentan, benzen) có chỉ số octan thấp, do đó trong một số chế độ làm việc của động cơ có thể xãy ra sự chia tách xăng trong động cơ, dẫn đến trong một thời điểm nhất định nào đó lượng nhiên liệu được nạp vào xylanh chứa nhiều thành phần nhẹ, bốc hơi nhanh nhưng chỉ số octan lại thấp do đó dễ dẫn đến quá trình cháy kích nổ trong một số chu kỳ nhất định Vì vậy, ngoài ba loại trên thì người ta còn đo chỉ số octan của phần cất có nhiệt độ sôi đến 100oC và được ký hiệu R-100, giá trị của nó luôn nhỏ hơn RON và độ chênh lệch này được gọi là ∆RON

1.5.1.7 Các biện pháp làm tăng chỉ số octan

Như trong phần trước ta đã thấy chỉ số octan của xăng chưng cất trực tiếp rất thấp, số lượng ít không đảm bảo được về chất lượng cũng như số lượng Vì vậy người ta cần có các phương pháp nhằm tăng số lượng và chất lượng của xăng Các phương pháp này được phân thành ba loại như sau:

Phương pháp hoá học

Thực hiện các phản ứng hoá học để biến đổi cấu trúc của nguyên liệu xăng ban đầu như RC, FCC, Alkyl hoá, Isomer hoá phương pháp này được dùng rộng rãi và chiếm đại bộ phận xăng thương phẩm

Dùng phụ gia

Phương pháp này dùng hoá chất để làm tăng chỉ số octan như nước chì Phương pháp này ngày nay gần như bị cấm bởi sự độc hại do chì gây ra

Phương pháp dùng các cấu tử có chỉ số octan cao

Phương pháp này dùng các cấu tử có chỉ số octan cao để pha trộn vào xăng như MBTE, EBTE, Methanol, Ethanol phương pháp này ngày nay được khuyến khích dùng nhiều bởi những ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường

1.5.2 Tỷ trọng

Tỷ trọng của một chất lỏng là tỷ số giữa khối lượng riêng chất đó so với khối lượng riêng của nước được đo ở trong những điều kiện nhiệt độ xác định Như vậy tỷ trọng là một đại lượng không có thứ nguyên

Người ta thường ký hiệu là ρt1t2, trong đó t1 là nhiệt độ mà tại đó người ta xác định khối lượng riêng của nước, tương tự như vậy t2 là nhiệt độ mà tại đó người ta đo khối lượng riêng của chất cần đo

Trong thực tế ta thường gặp ρ420, ρ415, ρ15.615.6, đối với dầu mỏ và các sản phẩm của nó thì trong tính toán người ta thường dùng tỷ trọng chuẩn ρ15.615.6

Ở Mỹ và một số nước khác người ta còn biểu thị tỷ trong thông qua một đại lượng khác gọi là độ API và giá trị của nó được xác định thồn qua tỷ trọng chuẩn như sau:

oAPI = 15.6

ρ - 131.5

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ trọng, nhưng thông thường nó được xác định theo 3 phương pháp sau:

Phương pháp dùng picnomet Phương pháp dùng phù kế

Phương pháp dùng cân thuỷ tĩnh

Theo tiêu chuẩn của châu âu thì giá trị này nằm trong khoảng 720 đến 775 kg/m3 Đối với xăng thì việc xác định tỷ trọng không có nhiều ý nghĩa như đối với dầu thô hay Diesel hoặc một sản phẩm khác, tuy nhiên nó cũng có những ý nghĩa nhất định trong việc điều khiển độ giàu khi bắt đầu khởi động động cơ, ảnh hưởng trực tiếp lên nhiệt cháy thể tích do đó ảnh hưởng lên sự tiêu thụ riêng của nhiên liệu, cụ thể khi tỷ trọng tăng lên thì suất tiêu thụ riêng giảm xuống

1.5.3 Các chỉ tiêu lên quan đến độ bay hơi

Như chúng ta đều biết xăng thương phẩm là một hỗn hợp của nhiều các hợp

phân đoạn của nó thì ở nhiệt độ nào cũng có những hydrocacbon bay hơi, nhưng ở một nhiệt độ nhất định thì cường độ bay hơi của các cấu khác nhau là không giống nhau Tính chất bay hơi của xăng có ý nghĩa rất lớn trong quá trình bảo quản, vận chuyển cũng như trong quá trình sử dụng Vì vậy độ bay hơi của xăng là một tính chất hết sức quan trọng Tính bay hơi này được đặc trưng bằng những tính chất như: Thành phần cất, áp suất hơi bảo hoà, điểm chớt cháy Nhờ nó mà ta có thể đánh giá sơ bộ về thành phần, sự phân bố của các cấu tử trong xăng, khả năng bay hơi gây mất mát và mức độ an toàn trong quá trình vận chuyển cũng như bảo quản và sử dụng

1.5.3.1 Thành phần cất

Những khái niệm cơ bản

Thành phần cất là khái niệm dùng để biểu diễn phần trăm bay hơi theo nhiệt độ hoặc ngược lại nhiệt độ theo phần trăm thu được khi tiến hành chưng cất mẫu trong thiết bị chuẩn theo những điều kiện xác định Ở đây ta có những khái niệm sau

Nhiệt độ sôi đầu:

Là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế vào lúc giọt chất lỏng ngưng tụ đầu tiên chảy ra từ cuối ống ngưng tụ

Nhiệt độ sôi cuối:

Là nhiệt độ cao nhất đạt được trong qúa trình chưng cất

Nhiệt độ phân hủy:

Là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi xuất hiện các dấu hiệu đầu tiên của sự nhiệt phân như xuất hiện hơi trắng

Ý nghĩa của việc xác định thành phần cất

Ngoài việc đánh giá thành phần hoá học của xăng thì thành phần cất còn có ý nghĩa rất quan trọng đối với xăng nhiên liệu bởi các giá trị của nó ảnh hưởng trực tiếp lên khả năng khởi động, khả năng tăng tốc và cả khả năng cháy hoà toàn trong buồng cháy

Ảnh hưởng đến khả năng khởi động

Xăng cho động cơ phải có một độ bay hơi nhất định để cho động cơ có thể khởi động được ở nhiệt độ thấp Qua nghiên cứu thực tế cho thấy khả năng khởi động của động cơ ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào nhiệt độ sôi đầu, nhiệt độ sôi 10%, 20%, 30% Khi những giá trị này càng thấp thì động cơ càng dễ khởi động, nhưng nếu chúng thấp quá thì xăng bay hơi quá nhiều do đó dễ gây ra hiện tượng nút hơi làm thay đổi thành phần của xăng được nạp vào xylanh ở một số chu kỳ nào đó gây ra hiện tượng thiếu hụt xăng cung cấp cho động cơ, điều này thường dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn và tạo ra nhiều chất độc hại trong khói thải làm ô nhiễm môi trường Ngoài ra quá trình bay hơi lớn sẻ gây mất mát vật chất và cũng gây ô nhiễm Ngược lại khi những giá trị quá lớn nghĩa là xăng khó bay hơi thì động cơ rất khó khởi động khi đang ở nhiệt độ thấp

Ảnh hưởng lên khả năng tăng tốc

Khi chuyển từ chế độ chậm sang chế độ nhanh, động cơ đòi hỏi lượng xăng nạp vào phải đủ lớn và bay hơi nhanh để bảo đảm cho quá trình cháy cung cấp nhiệt Độ bay hơi này phụ thuộc vào nhiệt độ sôi đầu đến nhiệt độ sôi t50%, t60%,

Cũng tương tự như trên, khi những nhiệt độ sôi này càng nhỏ thì độ bay hơi càng tốt tạo điều kiện tốt cho quá trình cháy tốt Ngược lại khi những giá trị này lớn thì quá trình hoá hơi không tốt do đó dễ dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn tạo ra nhiều chất độc hại trong khói thải gây ô nhiễm môi trường

Ảnh hưởng đến khả năng cháy hết

Nhiệt độ sôi cuối và những nhiệt độ sôi 90%, 95% của xăng phải được giới hạn nhất định để bảo đảm quá trình cháy tốt Nếu những giá trị này lớn quá thì quá trình

Phần nhiên liệu không cháy hết có thể bị phân huỷ trong điều kiện nhiệt độ cao làm tăng nồng độ chất độc hại trong khói thải hoặc chúng tồn tại ở trạng thái lỏng và đọng lại trên thành xy lanh làm loảng màng dầu bôi trơn gây ra hiện tượng mài mòn, sau đó chúng được xecmăng đưa xuống carter chứa dầu và làm bẩn dầu bôi trơn

1.5.3.2 Áp suất hơi bảo hoà

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 Như vậy áp suất hơi bảo hoà chính là áp suất hơi mà tại đó thể hưoi cân bằng với thể lỏng

Áp suất hơi là một hàm số của nhiệt độ và của đặc tính pha lỏng Sự sôi của một hydrocacbon nào đó, hay của một phân đoạn dầu mỏ chỉ xảy ra khi áp suất hơi của nó bằng với áp suất hơi của hệ Vì vậy, khi áp suất hệ tăng lên, nhiệt độ sôi của phân đoạn sẽ tăng theo nhằm tạo ra một áp suất hơi bằng áp suất của hệ Ngược lại, khi áp suất của hệ giảm thấp, nhiệt độ sôi của phân đoạn sẽ giảm đi tương ứng

Đối với các hydrocacbon riêng lẻ, áp suất hơi của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy ở một áp suất nhất định chỉ có một nhiệt độ sôi tương ứng

Đối với một phân đoạn dầu mỏ trong đó bao gồm nhiều hydrocacbon riêng lẽ thì áp suất hơi của phân đoạn, ngoài sự phụ thuộc vào nhiệt độ, còn phụ thuộc vào thành phần các hydrocacbon có áp suất riêng phần khác nhau, nghĩa là áp suất hơi của phân đọan mang tính chất cộng tính của các thành phần trong đó và tuân theo định luật Raoult: P = ∑Pixi

(Pi, xi là áp suất riêng phần và nồng độ phần mol của cấu tử i trong phân đọan) Áp suất hơi bảo hoà có thể được biểu diễn theo 3 phương pháp khác nhau:

Phương pháp của Reid (PVR) Phương pháp của Grabner

Phương pháp xác định tỷ lệ lỏng - hơi (V/L)

Trong ba phương pháp trên thì phương pháp của Reid thường được dùng nhiều nhất Áp suất thu được là áp suất tuệt đối Áp suất này được đo ở 100oF (37,8oC)

Cũng tương tự như thành phần cất, áp suất hơi bảo hoà đặc trưng cho khả năng khởi động của động cơ ở nhiệt độ thấp Khi giá trị này lớn thì động cơ dễ khởi động nhưng nếu giá trị này lớn quá sẻ gây ra hiện tượng nút hơi, thiếu nhiên liệu khi cung cấp cho động cơ và gây mất mát, nhưng nếu nhỏ quá thì động cơ khó khởi động

1.5.3.3 Nhiệt độ chớt cháy

Nhiệt độ chớt cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu bay hơi tạo với không khí một hỗn hợp có thể phụt cháy rồi tắt ngay như một tia chớp khi đưa ngọn lửa đến gần

Nhiệt độ chớp cháy được xác định trong hai loại thiết bị cốc kín và cốc hở khác nhau nên tương ứng ta cũng có hai loại nhiệt độ chớt cháy cốc kín và cốc hở loại cốc kín thường dùng cho các loại sản phẩm có độ bay hơi lớn còn loại cốc hở thường dùng cho các phân đoạn nặng

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 điều này sẻ gây ra mất mát vật chất và điều quan trọng hơn cả là nó có thể tạo ra hỗn hợp nỗ trong quá trình bảo quản và vận chuyển Vì vậy chỉ tiêu này đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của xăng Đối với xăng thì ở điều kiện thường độ bay hơi của nó lớn nên tạo hỗn hợp với không khí nằm ngoài giới hạn nỗ

Quy định về độ bay hơi của xăng không chi ở châu Âu Tính chất Đơn vị Giá trị giới hạn của các loại khác nhau

1 2 3 4 5 6 7 8 Áp suất

hơi KPa nim KPa max 35 70 35 70 45 80 45 80 55 90 55 90 60 95 100 65

40 65

40 65

40 65

43 70

43 70

40 70

43 70

Cặn %max 2 2 2 2 2 2 2 2 FVI =PVR (mbar) +7E70

1.5.4 Độ ổn định oxy hoá

Trong quá trình vận chuyển và bảo quản dầu thô cũng như sản phẩm của nó thường tiếp xúc với không khí nên các hydrocacbon dễ bị oxy hoá tạo thành các sản phẩm nặng hơn và thường gọi là nhựa, các hợp chất này thường gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến quá trình hoạt động của động cơ như: Làm tắt nghẽn lưới lọc trong bơm nạp liệu, gicluer, tạo cặn trong các rãnh của piston và trên xecmăng

Để đặc trưng cho khả năng chống lại quá trình oxy hoá người ta dùng khái niệm độ ổn định oxy hoá, nó có thể được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau

Độ ổn định oxy hoá phụ thuộc vào thành phần hoá học của các họ hydrocacbon Trong dầu thô cũng như các sản phẩm của nó thì các hydrocacbon có độ ổn đinh hoá học khác nhau, các hợp chất Aromatic có độ ổn định kém nhất còn các hợp chất Parafinic có độ ổn định cao nhất, tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ thường thì tốc độ oxy hoá của các họ hydrocacbon này không lớn

Trong dầu thô không có các hợp chất olefin, nhưng trong quá trình chế biến, dưới tác dụng của nhiệt độ các hydrocacbon kém bền nhiệt sẻ bị cắt mạch để tạo thành các sản phẩm nhẹ hơn trong đó có các hợp chất không no như olefin, ở phần trên chúng ta đã thấy xăng thương phẩm được phối trộn từ rất nhiều khác nhau trong đó chủ yếu là các sản phẩm của các quá trình chế biến sâu, trong các sản phẩm này thường chứa các hợp chất không no Vì vậy trong thành phần của xăng luôn chứa các hợp chất olefin, đây là hợp chất kém bền dễ bị oxy hoá tạo nhựa và các hợp chất có hại khác cho xăng, chính vì lý do này mà ngoài chỉ tiêu về độ ổn định oxy hoá thì còn phải khống chế hàm lượng của ôlefin trong xăng

1.5.5 Hàm lượng lưu huỳnh

Trong phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng cất khí quyển hay trong xăng thương phẩm thì hàm lượng lưu huỳnh không nhiều, chúng có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo nguồn gốc phối trộn Trong các dạng tồn tại này thì người ta quan tâm nhiều nhất đến hợp chất mercaptan (có trong phân đoạn xăng chưng cất trực tiếp) vì đây là hợp chất có khả năng gây ăn mòn trực tiếp các thiết bị trong tồn chứa bảo quản, vận chuyển cũng như sử dụng trong động cơ

Mặc dù hàm lượng các hợp chất này không lớn trong thành phần của xăng nhưng nó gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến chất lượng của xăng như vừa nêu ở trên Khi cháy trong động cơ chúng tạo ra khi SO2, khí này sau đó có thể chuyển một phần thành SO3, các chất khí này sẻ tạo thành các axit tương ứng khi nhiệt độ xuống thấp, đây là các chất gây ăn mòn rất mạnh Ngoài ra khi theo khói thải ra ngoài các chất khí này sẻ làm nhiễm độc xúc tác trong bộ hệ thống xử lý khí thải và gây ô nhiễm môi trường khi thải ra khi quyển

1.5.6 Hàm lượng benzen

Như chúng ta đã biết benzen là một chất độc nó có thể gây chết người khi ở trong môi trường có hàm lượng benzen cao, với nồng độ thấp thì benzen có thể gây ra căn bệnh ung thư cho con người

Quá trình cháy trong động cơ thường không hoàn toàn bởi điều kiện cháy trong động cơ khá đặc biệt Trong khí thải của động cơ ngoài các khí CO2, H2O, N2 còn có thêm một số các chất khác như CO, NOx, SOx, các hydrocacbon chưa cháy, bồ hống hydrocacbon chưa cháy thực chất là một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ như benzen, butadien, fornaldehyt, acetaldehyt các hợp chất này khi thải ra môi trường đều có hại cho con người và môi trường sinh thái, điều này bắt buộc con người phải xử lý nó

Có nhiều phương pháp nhằm hạn chế các chất ô nhiễm này như cải tiến cấu trúc của động cơ, khống chế điều kiện làm việc tối ưu hay cải thiện chất lượng của nhiên liệu Trong các giải pháp này thì hai giải pháp đầu tiên rất khó làm giảm hàm lượng benzen trong khí thải vì benzen là một chất khó cháy nhất trong các hợp chất này Vì những lý do này mà người ta bắt buộc phải khống chế hàm lượng benzen và cả hàm lượng các hợp chất aromatic trong nhiên liệu

Benzen trong khí thải động cơ xăng phụ thuộc vào hàm lượng aromatic Hàm lượng benzen trong khí chưa cháy trong khí xả (%) Hàm lượng

Ngoài những tiêu chuẩn quan trọng nêu trên thì một loại xăng thương phẩm còn phải đạt nhiều tính chất khác như: hàm lượng nhựa, cặn, tro, tiêu chuẩn về màu sắc các chỉ tiêu về độ kiềm, axxit

Ngày nay, trong thành phần của xăng thương phẩm ngoài phụ gia nhằm nâng cao chỉ số octan thì người ta còn dụng một số phụ gia khác như phụ gia chống oxy hoá, phụ gia tẩy rửa

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VỀ XĂNG Ô TÔ KHÔNG CHÌ (TCVN 6776 : 2000)

Xăng khôngchì

Các chỉ tiêu chất lượng

Phương pháp thử

90 92 95 1.Trị số octan - Theo phương

pháp nghiên cứu (RON)

2 Thành Phần Cất, 0C Điểm sôi đầu

10% Thể tích 50% Thể tích 90% Thể tích Điểm sôi cuối Cặn cuối

max max max max max

ASTM D 86

Báo cáo 70 120 190 215 2.0 3 Ăn mòn tấm đồng ở 500C/3h max TCVN 2694:2000 (ASTM

D130)

1 4 Hàm lượng nhựa thực tế,

kPa TCVN 5731:2000 (ASTMD323)/ASTM D4953 43 - 80 9 Hàm lượng benzen, % thể

Ngày nay động cơ Diesel đã phát triển mạnh mẻ, đa dạng hoá về chủng loại cũng như kích thước và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người bởi tính ưu việt của nó so với động cơ xăng Do vậy, nhu cầu về nhiên liệu Diesel ngày càng tăng, điều này đã đặt ra cho các nhà sản xuất nhiên liệu những thách thức mới, và điều này càng khó khăn hơn bởi những yêu cầu ngày càng khắt khe của luật bảo vệ môi trường

Trong nhà máy lọc dầu thì nhiên liệu Diesel được lấy chủ yếu từ phân đoạn gasoil của quá trình chưng cất dầu mỏ Đây chính là phân đoạn thích hợp nhất để sản xuất nhiên liệu Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học Tuy nhiên, để đảm bảo về số lượng ngày càng tăng của nhiên liệu Diesel và việc sử dụng một cách có hiệu quả các sản phẩm trong nhà máy lọc dầu thì thực tế nhiên liệu Diesel luôn được phối liệu từ các nguồn khác như : Phân đoạn gasoil của quá trình hydrocracacking, phân đoạn gasoil từ quá trình FCC, các sản phẩm của quá trình oligome hóa, dime hóa, trime hóa, giảm nhớt, HDS

2.2 Thành phần hoá học của nhiên liệu Diesel

Như đã nêu trong phần trước, nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ nhiều nguồn khác nhau trong nhà máy lọc dầu Thành phần hoá học của các nguồn này thay đổi rất nhiều ngay cả khi cùng một nguồn gốc dầu thô Để xem xét, trước hết ta xem xét các nguồn dùng để phối trộn nhiên liệu Diesel

Trong nhà máy lọc dầu thì Diesel thường thu nhận theo các quá trình như sơ đồ sau:

Theo sơ đồ này, nhiên liệu Diesel nhận được từ các nguồn như sau:

Phân đoạn Gasoil của tháp chưng cất khí quyển (phân đoạn chính để phối trộn) Từ phân xưởng crackinh xúc tác

Từ phân xưởng hydrocrackinh Từ phân xưởng giảm nhớt Từ phân xưởng cốc hoá

Từ phân xưởng tách loại lưu huỳnh kèm theo quá trình chuyển hoá Từ các quá trình tổng hợp như oligome hoá

2.2.1 Thành phần hoá học của của phân đoạn gassoil

Đây là thành phần chính để phối trộn nhiên liệu Diesel Trước đây phân đoạn này được lấy từ tháp chưng cất khí quyển có khoảng nhiệt độ sôi là 250oC ÷ 350oC, với khoảng nhiệt độ sôi này thì thành phần hoá học của gasoil bao gồm các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon từ C16 ÷ C20, hầu hết các nhóm chất có mặt trong dầu thô đều tìm thấy trong phân đoạn này Cũng như khi nghiên cứu dầu mỏ hay các sản phẩm dầu mỏ khác, thành phần hoá học của gasoil được chia thành hai nhóm chất chính như sau:

Đáng chú ý là về cuối phân đoạn gasoil, bắt đầu có mặt những hydrocacbon parafinic có nhiệt độ kết tinh cao như: C16 có nhiệt độ kết tinh ở 18,1oC, C20 có nhiệt độ kết tinh ở 36,7oC Khi những parafin này kết tinh, chúng sẽ tạo ra một bộ khung phân tử, những hydrocacbon khác còn lại ở dạng lỏng sẽ nằm trong đó, nếu các n-

n-parafin rắn này có nhiều, chúng sẽ làm cho cả nhiên liệu mất tính linh động thậm chí có thể làm đông đặc lại ở những nhiệt độ thấp

Họ Naphten và Aromatic

Những hydrocacbon loại naphten và aromatic trong phân đoạn này bên cạnh những loại có cấu trúc một vòng có nhiều nhánh phụ đính xung quanh còn có mặt các hợp chất 2 hoặc 3 vòng

Ngoài ra trong gasoil đã có mặt các hợp chất hydrocacbon có cấu trúc hỗn hợp giữa vòng naphten và aromatic như têtralin và các đồng đẳng của chúng

Ngoài ba họ trên thì trong thành phần của nhiên liệu Diesel luôn chứa một hàm lượng đáng kể các hợp chất không no như olefin (phần chủ yếu), dien các hợp chất không no này đến từ các quá trình chế biến sâu như FCC, giảm nhớt

2.2.1.2 Nhóm hợp chất phi hydrocacbon

Trong Diesel thương phẩm thì các chất phi hydrocacbon tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau

Hợp chất của lưu huỳnh

Nếu như trong xăng, lưu huỳnh dạng mercaptan chiếm phần chủ yếu trong số các hợp chất lưu huỳnh ở đó, thì trong phân đoạn gosoil loại lưu huỳnh mercapten hầu như không còn mercaptan nữa Thay thế vào đó là lưu huỳnh dạng sunfua và disunfua, cũng như lưu huỳnh trong các mạch dị vòng Trong số này, các sunfua vòng no (dị vòng) là loại có chủ yếu

Hợp chất của oxy

Các hợp chất chứa oxy trong phân đoạn gasoil cũng tăng dần lên Đặc biệt ở phân đoạn này, các hợp chất chứa oxy dưới dạng axit, chủ yếu là axit naphtenic có rất nhiều và đạt đến cực đại ở trong phân đoạn gasoil

Ngoài các axit, các hợp chất chứa oxy trong phân đoạn gasoil còn có các phenol và đồng đẳng của chúng như crezol, dimetyl phenol

Hợp chất của nitơ

Các hợp chất của nitơ trong phân đoạn này cũng có ít nhưng chúng có thể nằm dưới dạng các Quinolin và đồng đẳng, hoặc các hợp chất chứa nitơ không mang tính bazơ như Pirol, Indol và các đồng đẳng của nó

Ngoài những hợp chất chứa thuần tuý N2, O2, S thì trong phân đoạn gasoil đã có mặt các chất nhựa, trọng lượng phân tử của nhựa vào khoảng (300-400) Nói chúng các chất nhựa của dầu mỏ thường tập trung chủ yếu vào các phân đoạn sau gasoil, còn trong phân đoạn này số lượng chúng rất ít

2.2.2 Thành phần hoá học ở các nguồn ngoài phân đoạn gasoil để sản xuất Diesel

Trong các nguồn này thì thành phân hoá học của nó thay đổi rất nhiều Chúng không chỉ phụ thuộc vào loại dầu thô mà còn phụ thuộc vào quá trình sử dụng và điều kiện công nghệ Các nguồn này có thể chia làm hai nhóm nhỏ:

Nhóm thứ nhất:

Nhóm này bao gồm các loại gasoil nhận được từ các quá trình sau: Crackinh nhiệt, xác tác

Giảm nhớt Cốc hoá

Gasoil thu được từ các quá trình này thường có chất lượng rất xấu (chỉ số cetan thấp, hàm lượng lưu huỳnh cao, các chất kém ổn định nhiều, hàm lượng aromatic và hợp chất nhựa nhiều) Khi phối trộn trực tiếp thì nhóm gasoil này chỉ chiếm một lượng nhỏ, nhưng thông thường thì chúng phải qua quá trình xử lý (HDS) rồi mới đem phối trộn

Sau đây ta sẻ xem xét một số ví dụ về thành phần của các loại gasoil và sự biến đổi của nó theo các quá trình xử lý

Thành phần hoá học của gasoil thu được từ các quá trình chuyển hoá

Dạng sản phẩm Tính chất

LCO (HTS)

LCO (BTS)

VB1 VB2 HCK CK

- Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) - Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Chỉ số brôm -Thành phần cất (oC)

PI PF - Chỉ số cetan - Thành phân hoá học (% kl)

Paraffin Naphten

Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.942

4.6 2.76 630 14.9

218 359 21.3

13.7 8.8 17.1 35.8 4.1 15.6 4.0

0.924

3.1 0.68 110 7.3

199 296 18.3

21.3 8.9 20.1 44.7 0.5 4.3 0.3

0.866

5.5 2.2

27

229 348 45.5

23 33.4 17.7 10.4 1.4 12.2 1.8

0.821

2 1.46 247 45.5

156 293 39.2

22.4 53.3 17.4 2.8 0.1 4.1 0.0

0.803

2.94 0.006 6

179 333 54.2

39.8 58.5 1.5 0.2 0.0 0.0 0.0

0.936

3.8 1000 21

308 360 27

4 31

65

Nhận xét:

Gasoil thu được từ quá trình hydrocrackinh có chất lượng rất tốt tức là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon, hàm lượng chất thơm rất thấp, chỉ số cetan cao

So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu (áp suất chung 27 bar, V.V.H 3)

- Thành phần cất(oC) PI

50% 90% PF - Chỉ số cetan

- Thành phân hoá học (% kl)

Paraffin Naphten

Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.846

6.14 2.99 1.31 65

217 294 341 358 54.8

40.7 32.6 11 7.4 1.0 5.4 1.9

0.834

5.58 2.81 0.07

221 285 329 350 56.4

43.2 31.1 18.2 5.9 0.5 0.5 0.6

0.833

5.52 2.79 0.015 54

221 285 329 349 57.6

44.0 30.9 17.6 6.5 0.4 0.4 0.2

(Cột sau là kết quả thu được trong trường hợp độ nghiêm ngặt cao hơn)

Nhận xét:

Sản phẩm thu được sau quá trình HDS có hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon và hợp chất aromatic một hay nhiều vòng giảm đi rất nhiều, paraffin tăng lên, chỉ số cetan tăng lên, nhiệt độ sôi đầu tăng lên chút ít nhưng nhiệt độ sôi 50%, 90%, nhiệt độ sôi cuối giảm điều này cho nhiên liệu có khả cháy tốt nghĩa là quá trình này cho chất lượng gasoil tốt hơn

So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu (áp suất chung 27 bar, V.V.H 3)

- Thành phần cất(oC) PI

50% 90% PF - Chỉ số cetan

- Thành phân hoá học (% kl)

Paraffin Naphten

Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.862

5.55 2.76 1.16 216

214 288 332 353 49

36.5 24.3 14.2 15.4 1.8 5.4 2.4

0.85

5.34 2.7 0.064 150

224 283 329 350 50.4

36.2 24.3 23 12 10.0 1.5 0.9

0.833

5.52 2.79 0.015 54

221 285 329 349 49

36.7 26.5 21.9 12.6 0.9 1.0 0.4

(Cột sau là kết quả thu được trong trường hợp độ nghiêm ngặt cao hơn)

Kết quả thu được ở đây hoàn toàn giống như trên

So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi xử lý bằng hydrocacbon

Sản phẩm

(RA)

P 50 bar VVH 1

P 75bar VVH 0.5 - Khôi lượng riêng ở 15oC

(kg/lit)

- Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Thành phần cất(oC) PI

50% 90% PF - Chỉ số cetan

- Thành phân hoá học (% kl)

Paraffin Naphten

Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.846

6.14 2.99 1.31

217 294 341 358 54.8

40.7 32.6 11 7.4 1.0 5.4 1.9

0.825

5.3 2.71

218 282 326 347 60.2

43.7 38.1 13.7 2.8 0.3 0.2 0.3

0.818

5.27 2.6

203 280 326 346 65.4

45.7 50.3 3.4 0.6 0 0 0

Kết quả hoàn toàn giống như quá trình HDS

So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu

50% 90% PF - Chỉ số cetan

- Thành phân hoá học (% kl)

Paraffin Naphten

Mono aromatic Di aromatic Tri aromatic Benzothiophen Dibenzothiophen

0.862

5.55 2.76 1.16

214 288 332 353 49

36.5 24.3 14.2 15.4 1.8 5.4 2.4

0.838

5.12 2.63 0.0022

213 278 324 346 53.9

36.9 37.7 20.2 4.5 0.4 0.3 0.0

0.827

4.9 2.54 0.0004

212 275 324 347 60.2

41.5 51.8 6 0.7 0.0 0.0 0.0

Các nguồn dùng để phối trộn gasoil

Nguồn nguyên liệu

Dầu thô paraffin Dầu thô naphten

Phần cất của DSV

Phần cặn của RSV

Quá trình xử lý

Hiệu suất (% kl)

30.3 32.8 36.7 29.2 47.2 10÷15 5÷15 35

d154(kg/l) 0.835 0.825 0.843 0.827 0.856 0.93 0.835 0.845 0.900 0.855Thành phân

cất PI PF

170 370

180 375

170 400

180 350

170 370

170 370

200 358

170 370

170 370

196 343

Điểm vẫn đục (oC)

-5 -2 +1 -10 -20 -5 -14 -4 -8 -15

Điểm chảy (oC)

-12 -9 -6 -18 -33 -14 -25 -18 -20 -26

Hàm lượng lưu huỳnh (% kl)

0.12 0.04 0.83 0.80 0.09 2.8 0.02 2.33 2.10

2.3 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm quá trình cháy trong động cơ Diesel

Để khảo sát thành phần và tính chất nhiên liệu Diesel ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ và vấn đề ô nhiễm môi trường, trước hết ta xét sơ lược về hoạt động và đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ Diesel

2.3.1 Vài nét lịch sử động cơ Diesel

Động cơ Diesel mang tên của nhà phát minh nổi tiếng Rudolf Diesel R.Diesel sinh năm 1858 là kỹ sư người Đức nhưng phần lớn hoạt động nghiên cứu máy móc của Ông thực hiện ở Paris (Pháp) Năm 1892 tại Berlin R.Diesel được cấp bằng phát minh nghiên cứu về sự hoạt động của một loại động cơ với nhiên liệu là dòng hơi sương các hạt hydrocacbon Tuy nhiên, đề tài này chỉ mang tính phác hoạ, sau đó đến năm 1897 nguồn nhiên liệu của động cơ được thay thế bằng nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ (phân đoạn gasoil) và động cơ đã đem lại một hiệu suất đáng kể (247 g/ch.h), xylanh của động cơ Diesel đầu tiên này có thể tích 19,6 lít, cho một công suất 14,7 KW, với tốc độ quay trục khuỷu là 172 vòng/phút Sau đó, loại động cơ này đã được phát triển mạnh mẻ với nhiều chủng loại khác nhau và được ứng dụng rộng rãi nhất là sau chiến tranh thế giới nhất trên các loại xe tải những năm 1930-1939

Chiếc xe du lịch đầu tiên trang bị động cơ Diesel được giới thiệu bởi hãng Mercedes năm 1936 (206D) nhưng thành công hơn là chiếc xe của hãng Peugoet (Diesel 402) xuất xưởng năm 1938 (có 1000 khuôn mẫu)

Sau năm 1945, động cơ Diesel đã trở nên phổ biến trong các loại phương tiện giao thông dân dụng nhưng nó chỉ tồn tại trong một số giới hạn cấu trúc, mẫu mã của các hãng sản xuất ô tô lớn như Mercedes, Peugeot

Đến những năm 1970, động cơ Diesel có sự phát triển vượt bậc Các phương tiện vận tải được trang bị động cơ Diesel với buồng đốt kiểu phun trực tiếp, các loại xe du lịch với buồng đốt kiểu phun gián tiếp Đến đầu năm 1980, thị trường các động cơ Diesel cho các loại phương tiện vận tải đã bùng nổ trên toàn thế giới

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

Động cơ Diesel là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học của nhiên liệu khi cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay Động cơ này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm kỳ: nạp, nén, cháy nổ và giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài Sơ đồ nguyên lý như sau:

1.Trục khuỷu 2 Thanh truyền

5

4 2 3

Sơ đồ động cơ Diesel 4 kỳ

Trong quá trình vận hành của động cơ, trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, piston đi động lên xuống trong xylanh, thanh truyền truyền vận động tịnh tiến của piston cho trục khuỷu quay tròn Ở đây ta có khái niệm điểm chất trên và điểm chất dưới đó là các điểm tương ứng với vị trí cao nhất và thấp nhất của piston trong xylanh

Chu trình công tác của động cơ Diesel được tiến hành như sau :