II.1. Thành phần chng cất của phân đoạn.
Thành phần chng cất là một trong những chỉ tiêu quan trọng cần phải xác định đối với các sản phẩm trắng nh xăng, kerosel, diezel. Theo thành phần cất phân đoạn có thể biết đợc các loại sản phẩm thu và khối lợng của chúng. Các phân đoạn dầu mỏ đều bao gồm rất nhiều các đơn chất khác nhau với nhiệt độ sôi thay đổi trong suốt cả giới hạn sôi của phân đoạn đó. Vì vậy đặc trng cho tính chất bay hơi và sôi của một số phân đoạn dầu mỏ, thờng đánh giá bằng nhiệt độ bắt đầu sôi (tsđ), nhiệt độ sôi kết thúc sôi ( tsc) và nhiệt độ tơng ứng với các phần trăm sản phẩm ngng tụ khi chng cất trong dụng cụ chng tiêu chuẩn ( đợc gọi là thành phần chng cất của phân đoạn dầu mỏ).
Dụng cụ chng tiêu chuẩn này là bộ chng cất Engler.
Đồ án Tốt Nghiệp Hoàng Xuân Bách
2
1
5
4
1-Bình chng chuẩn; 2- nhiệt kế; 3- hộp sinh nhàn bằng nớc đá; 4- ống l- ờng tiêu chuẩn; 5- đèn khí.
Đờng cong chng cất thu đợc biểu diễn trong hệ toạ độ nhiệt độ sôi – phần trăm sản phẩm chng cất còn gọi là đờng cong chng cất Engler.
Nhiệt độ bắt đầu sôi sẽ là nhiệt độ khi đó xuất hiện giọt chất lỏng đầu tiên ngng tụ vơi vào ống lờng 4.
Khi lợng sản phẩm chng cất tăng lên 5%, 10%, 20% .., 90%, 95% so…
với số lợng mẫu chng cất, cũng sẽ có các giá trị nhiệt độ sôi tơng ứng với nó t5%, t50% , t95% .Nhiệt độ này tăng đêù đặn theo số phần trăm sản phẩm ch… ng cất đợc, và cuối cùng khi nhiệt độ bắt đầu hạ xuống, nhiệt độ tơng ứng với nó sẽ là nhiệt độ sôi cuối của phân đoạn.
Ví dụ: chng cất một phân đoạn xăng nhẹ, ta thu đợc các số liệu sau: - Nhiệt độ sôi đầu ( tsđ ) 35oC
- (ts 10% TT) 54 - ts 30% TT 75 - ts 50% TT 93 - ts 70% TT 114
- ts 90% TT 135 - ts 98% TT 155 - ts Cuối 159
Thành phần chng cất của các phân đoạn sản phẩm trắng có ý nghĩa rất quan trọng khi các phân đoạn này đợc sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ và áp suất hơi ở những nhiệt độ và áp suất khác nhau.
- Đối với phân đoạn xăng, nhiệt độ sôi từ 10 –30% có ý nghĩa quyết định khả năng khởi động của động cơ. Khoảng nhiệt độ đó càng thấp, động cơ càng dễ khởi động khi máy nguội. Tuy nhiên nếu thấp, nó dễ tạo nút hơi trong hệ thống cấp nhiên liệu gây hao tốn nhiên liệu. Nên ts 10% không vợt quá 70oC.
- Nhiệt độ cất 50% có ý nghĩa quyết định khả năng tăng tốc của động cơ ( khả năng nhanh chóng đạt đọc tốc độ cần thiết khi mở van tiết lu) và quá trình đốt cháy động cơ. Nếu nhiệt đô cất 50% quá cao ( ít Hydrocacbon nhẹ )
Nhiệt độ oC % chưng cất thể tích % sản phẩm chưng cất 20 40 60 80 100% 100% 0 tsd 100 50 150 tsc
khi thay đổi tốc độ, lợng nhiên liệu trong máy ít, công suất giảm đều khiển xe khó khăn. Do vậy nhiệt độ cất 50% ( từ 40 – 70% ) càng thấp càng tốt vì dễ dàng tăng số vòng quay của động cơ lên mức tối đa trong thời gian ngắn nhất. Tuy vậy nếu thấp quá dễ tạo nút hơi và gây thất thoát nhiên liệu. Vì vậy không nên vợt quá 140oC.
- Nhiệt độ cất 90% có ý nghĩa về mặt kinh tế. Nếu nhiệt độ cất 90% cao thì xăng không bốc hơi hoàn toàn trong buồng đốt. Xăng ở trạng thái lỏng theo Xylanh lọt qua Xecmăng đi vào các te chứa dầu, làm loãng dầu nhờn giảm khả năng bôi trơn và gây mài mòn động cơ.
- Nhiệt độ cất cuối (cặn cất ) đánh giá mức độ bay hơi hoàn toàn và làm loãng dầu nhờn. Nếu nhiệt độ sôi cuối cao quá thì dầu nhờn sẽ bị rửa trôi trên thành Xylanh, mài màn piston. Vì thế Tsc không nên quá 205oC.
II.2. Tỷ trọng :
Khối lợng riêng của dầu là khối lợng của một lít dầu tính bằng kilogam. Tỷ trọng của dầu là khối lợng của dầu so với khối lợng của nớc ở cùng một thể tích và ở nhiệt độ xác định. Do vậy tỷ trọng sẽ có giá trị đúng bằng khối l- ợng riêng khi coi khối lợng riêng của nớc ở 40C bằng 1. Trong thực tế tồn tại các hệ thống đo tỷ trọng sau : d420, d415, d15,615,6, ( hay theo đơn vị Anh Mỹ là Spgr 60/600F ); độ API ( API = 141,5/s.g 600F/600F - 131,5), trong đó chỉ số bên trên là nhiệt độ của dầu trong lúc thử nghiệm còn chỉ số bên dới là nhiệt độ của nớc khi thử nghiêm. Tỷ trọng của dầu giao động trong khoảng rộng, tuỳ thuộc vào loại dầu và có trị số từ 0,8 đến 0,99. Tỷ trọng của dầu rất quan trọng khi đánh giá chất lợng dầu thô. Sở dĩ nh vậy vì tỷ trọng có liên quan đến bản chất hoá học cũng nh đặc tính phân bố các phân đoạn trong dầu thô.
Dầu thô càng nhẹ tức có tỷ trọng thấp, càng mang đặc tính dầu paraphinic, đồng thời tỷ lệ các phân đoạn nặng sẽ ít. Ngợc lại, dầu càng nặng tức tỷ trọng cao, dầu thô càng mang đặc tính dầu aromatic hoặc naphntenic các phân đoạn nặng sẽ chiếm tỷ lệ cao. Sở dĩ nh vậy vì tỷ trọng hydrocacbon
paraphinic bao giờ cũng thấp hơn so với naphtenic và aromatic khi chúng có cùng một số nguyên tử cacbon trong phân tử. Mặt khác những phần khoong phải là hydrocacbon nh các chất nhựa, asphanten, các hợp chất chứa lu huỳnh, chứa nitơ, chứa các kim loại lại thờng tập chung trong các phần nặng, các nhiệt độ sôi cao vì vậy dầu thô có tỷ trọng cao, chất lợng càng giảm.
II.3. Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu :
Độ nhớt đặc trng cho tính lu biến của dầu cũng nh ma sát nội tại của dầu. Do vậy, độ nhớt cho phép đánh giá khả năng bơm vận chuyển và chế biến dầu.
Quan trọng hơn độ nhớt của sản phẩm đánh giá khả năng bôi trơn, tạo mù sơng nhiên liệu khi phun vào động cơ, lò đốt. Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm. có hai loại độ nhớt :
+ Độ nhớt động học ( St hay cSt )
+ Độ nhớt quy ớc ( độ nhớt biểu kiến ) còn gọi là độ nhớt Engler (0E)
II.4. Thành phần phân đoạn :
Vì dầu mỏ là thành phần hỗn hợp của nhiều hydrocacbon, có nhiệt độ sôi khác nhau, nên dầu mỏ không có một nhiệt độ sôi nhất định đặc trng nh mọi đơn chất khác. ở nhiệt độ nào cũng có những hợp chất có nhiệt độ sôi t- ơng ứng thoát ra, và sự khác nhau của từng loại dầu thô chính là sự khác nhau về lợng chất thoát ra ở các nhiệt độ tơng ứng khi chng cất. Vì thế, để đặc trng cho từng loại dầu thô, thờng đánh giá bằng đờng cong chng cất, nghĩa là các đ- ờng cong biểu diễn sự phân bố lợng các sản phẩm chng cất theo nhiệt độ sôi. Những điều kiện khi chng cất khác nhau sẽ cho các đờng cong chng cất khác nhau.
Đờng cong chng cất là đờng cong biểu diễn tơng quan giữa thành phần cất và nhiệt độ sôi.
Để đặc trng cho từng loại dầu thô thờng xác định bằng hai đờng cong chng cất sau :
II.4.1. Đờng cong điểm sôi thực :
Đờng cong này còn gọi là đờng cong chng cất có chng luyện. đờng cong chng cất nhận đợc khi chng cất mẫu thô trong thiết bị chng cất có trang bị phần tinh luyện và hồi lu, có khả năng phân chia tơng ứng với số đĩa lý thuyết trên 10 với tỷ số hồi lu sản phẩm khoảng 5. Về lý thuyết trong chng cất điểm sôi thực đã sử dụng hệ chng cất có khả năng phân chia rất triệt để nhằm làm cấu tử có mặt trong hỗn hợp sẽ đợc phân chia riêng biệt ở chính nhiệt độ sôi của từng cấu tử và với số lợng đúng bằng số lợng có trong hỗn hợp. Đờng cong này phản ánh chính xác hơn sự phân bố từng hợp chất theo nhiệt độ sôi thực của nó trong dầu thô.
1. Đờng cong điểm sôi thực lý thuyết
2. Đờng cong điểm sôi thực thực
Trên hình (2) trình bày đờng cong điểm sôi thực của hỗn hợp hai cấu tử với thành phần 30% cấu tử A và 70% cấu tử B. Cấu tử A sôi ở nhiệt độ ta và cấu tử B sôi ở nhiệt độ tb dới áp suất chung của hệ khi chng cất.
Đờng biểu diễn bậc thang chính là đờng cong điểm sôi thực lý thuyết, có nghĩa là sự phân chia thành 2 cấu tử. ở đây đã thực hiện một cách hoàn toàn. còn đờng cong đứt khúc chính là đờng cong điểm sôi thực trong thực tế
1 2 30 t ta tb % V chưng cất Hình 3: Đường cong điểm sôi thực của hỗn hợp 2 cấu tử A và B
do sự phân chia thành hai cấu tử đã xảy ra không thể hoàn toàn cả. Thông th- ờng chỉ sử dụng dụng cụ chng cất với số đĩa lý thuyết từ 10 20 đĩa.
Đây là đờng cong rất quan trọng đợc sử dụng để đặc tính cho từng loại dầu thô. Trên thực tế không có loại dầu thô nào có đờng cong chng cất điểm sôi thực giống nhau hoàn toàn cả.
Nói chung dầu thô có thể chia thành nhiều phân đoạn nhng thờng phân chia 3 phân đoạn chính nh sau : Phân đoạn nhẹ, phân đoạn trung bình và phân đoạn nặng.
Phân đoạn nhẹ : là phân đoạn bao gồm các hợp chất có khoảng nhiệt
độ sôi nằm trong nhiệt độ thờng đến 2000C, còn gọi là phân đoạn xăng thô hay naphta. Phân đoạn này bao gồm những hydrocacbon chứa từ 5 đến 10 nguyên tử cácbon.
ở phân đoạn này không có những hydrocacbon có cấu trúc bị lai hợp mà chỉ có các hydrocacbon thuần chủng mang đặc tính paraphinic, naphtenic hoặc aromatic một cách rõ rệt. Phân đoạn này đợc sử dụng chủ yếu để chế tạo xăng động cơ, chế tạo các dung môi nhẹ, cũng nh làm nguyên liệu hoá dầu. Để sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hoá dầu nhờ vào các quá trình nhiệt phân, refoming, đồng phân hoá, oxi hoá bộ phận.
Phân đoạn trung bình : Là phân đoạn có nhiệt độ sôi từ 200ữ3000C ở đoạn này có chứa các hợp chất hydrocacbon từ 10 20 nguyên tử cacbon, với cấu trúc không còn thuần chủng, bị lai hoá bộ phận. Phân đoạn này đợc sử dụng để chế tạo dầu hoả, nhiên liệu phản lực, nhiên liệu diezel, cũng nh làm nguyên liệu để sản xuất nhờ vào quá trình biến đổi hoá học ( Cracking ).
Phân đoạn nặng : Có nhiệt độ sôi trên 3500C là phân đoạn bao gồm các hợp chất hydrocacbon có từ 2050 nguyên tử cacbon với cấu trúc bị lai hoá rất phức tạp, đợc sử dụng để chế tạo các loại nhiên liệu nặng nh dầu FO ( Fuel oil ), chế tạo nhớt ( dầu nhờn ) cho máy móc cơ khí và động cơ, chế tạo
nhựa đờng ( bitum ) hoặc làm nguyên liệu cho quá trình cracking hoặc hydrocracking.
Ngoài ra ngời ta còn dựa vào tên các sản phẩm chế biến khi đó dầu thô đợc chia thành các phân đoạn sau :
- Phân đoạn khí bao gồm các hydrocacbon từ C1 đến C4
- Phân đoạn xăng gồm các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 28ữ 300C tới 1800C
- Phân đoạn Kerosen gồm các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 1800C đến 2500C.
- Phân đoạn gasoil gồm các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 3500C.
- Cặn chng cất ở áp suất thờng hay gọi là mazut có nhiệt độ sôi trên 3500C.
- Phân đoạn dầu nhờn gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi trong khoảng từ 3500 đến 5000C
- Phân đoạn gudron, bitum có nhiệt độ sôi trên 5000C
Các phân đoạn xăng, kerosen, gasoil là các sản phẩm có màu sáng nên còn gọi là sản phẩm trắng và chng cất ở áp suất khí quyển. Còn phân đoạn dầu nhờn phải tiến hành chng cất ở áp suất chân không. Với các loại dầu thô khác nhau, hiệu suất các phân đoạn trên khác nhau. Ngay trong cùng một loại mỏ dầu, dầu thô khai thác ở các độ sâu khác nhau, cũng có thành phần phân đoạn khác nhau.
II.5. Nhiệt độ sôi trung bình :
Nhiệt độ sôi trung bình của dầu thô và các phân đoạn dầu có quan hệ với các tính chất vật lý khác nhau nh tỷ trọng, độ nhớt, hàm nhiệt và trọng l- ợng phân tử của dầu. Do vậy nó là một thông số quan trọng đợc sử dụng trong đánh giá và tính toán công nghệ chế biến dầu. Từ đờng cong chng cất ta dễ dàng xác định đợc nhiệt độ sôi trung bình thể tích hay trọng lợng bằng các đồ
thị chuyển đổi, ta có thể xác định đợc nhiệt độ sôi trung bình mol, nhiệt độ sôi trung bình.
II.6. Hệ số đặc trng K:
Hệ số đặc trng K đợc dùng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay chọn điều kiện công nghệ chế biến thích hợp cũng nh nhiệt độ sôi trung bình, K có quan hệ với thông số vật lý quan trọng khác nh tỷ trọng, trọng lợng phân tử và cả trị số octan hay xetan của sản phẩm dầu. K đợc xác định theo công thức sau : K = (600F/600F) 3 / 1 d Tm
ở đây : Tm là nhiệt độ sôi trung bình tính theo độ Rankine (0R)
0R = tm(0F) + 460
Có thể tra Tm trên đồ thị hoặc tính theo công thức sau :
Tm = + + − − + 90% 10% 1,53 . 075 , 0 170 2 v v t t t t
Tv : nhiệt độ sôi trung bình thể tích .
0F = ( ) 4 . 2 50% 70% % 30 t t t + +
Chơng III:sản phẩm của quá trình chng cất
Khi tiến hành chng cất sơ khởi dầu mỏ, chúng ta nhận đợc nhiều phân đoạn và sản phẩm dầu. Chúng đợc phân biệt với nhau bởi giới hạn nhiệt độ (hay khoảng nhiệt độ chng) bởi thành phần hydrocacbon, độ nhớt, độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc và bởi nhiều tính chất có liên quan đến sử dụng chúng. Dới đây sẽ nói đến các sản phẩm của quá trình chng cất.