Mazut là phần cặn của quá trình chưng cất ở áp suất khí quyển có nhiệt độ sôi cao hơn 3500C. Với mục đích thu các phân đoạn dầu nhờn thì ta đem chưng cất ở điều kiện chân không ta thu được các phân đoạn dầu nhờn chia theo khoảng nhiệt độ sôi khác nhau:
- Phân đoạn dầu nhờn nhẹ (LVGO: Light vacuum Gas oil) 300-4000C
- Phân đoạn dầu nhờn trung bình (MVGO:Medium vacuum Gas oil) 400-4500C - Phân đoạn dầu nhờn nặng (HVGO: Hight vacuum Gas oil) 4500C-5000C
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 18
Các phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ sôi 300-5000C gồm những hydrocacbon có số
nguyên tử cacbon trong phân tử từ C21-C35 (hoặc có thể C40), những hydrocacbon trong các phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn có cấu trúc phức tạp. Gồm có:
- Các parafin mạch thẳng và nhánh
- Các hydrocacbon no đơn vòng và đa vòng (napthen) có cấu trúc vòng cyclohexan - Các hợp chất thơm đơn vòng và đa vòng chủ yếu chứa mạch nhánh ankyl
- Các hợp chất lai hợp chứa vòng Napthen, vòng thơm và mạch nhánh ankyl trong
cùng một phân tử
Trong phân đoạn dầu nhờn còn chứa các hợp chất cơ kim như V, Ni, Cu, Fe...Tuy
vậy, các phức chất này có không nhiều trong phân đoạn dầu nhờn mà chủ yếu tập trung trong phân đoạn cặn gudron
Các hợp chất chứa oxi nằm trong phân đoạn dầu nhờn là các axit naphtenic, axit asphantic, axit naphtenic này là loại nhiều vòng naphten, hoặc là nhiều vòng naphten và
thơm hỗn hợp. Axit asphantic cũng có thể xem như một axit polinaphtenic vì chúng cũng
có cấu trúc nhiều vòng lai hợp. Nhưng axit asphantic thường nằm chủ yếu trong cặn
gudron.
Các chất nhựa có mặt trong phân đoạn dầu nhờn với số lượng đáng kể và tăng rất
nhanh về cuối phân đoạn này. 1.5.1.2. Đặc tính của cặn Gudron
Cặn Gudron là phần còn lại của quá trình chưng cất chân không , có nhiệt độ sôi
trên 5000C. Trong phần này tập trung các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon trong
phân tử từ C41 trở lên, có thể lên đến C50-C60 thậm chí có cả C80 vì thế thành phần phân đoạn này rất phức tạp, có thể chia thành 3 nhóm chính:
Nhóm chất dầu:
Nhóm chất dầu bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, tập trung nhiều
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 19
naphten; đây là hợp chất nhẹ nhất, có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1, hòa tan trong xăng, n- pentan, CS2...nhưng không hòa tan trong cồn. Tronng phân đoạn cặn, nhóm dầu chiếm
khoảng 45-46%
Nhóm chất nhựa (còn gọi là nhóm malten):
Nhóm này ở dạng keo quánh, gồm hai nhóm thành phần, đó là chất trung tính và các chất axit.
Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ hóa mềm nhỏ hơn 1000C, tỷ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trọng lớn hơn 1, dễ dàng hòa tan trong xăng, naptha. Chất trung tính tạo cho nhựa có tính
dẻo dai và tính kết dính. Hàm lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ kéo dài của nhựa,
chiếm khoảng 10-15% khối lượng của cặn Gudron.
Các chất axit là chất có nhóm –COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ hòa
tan trong cloroform và rượu ethylic, chất axit tạo cho nhựa có tính hoạt động bề mặt. Khả năng kết dính của bitum phụ thuộc vào hàm lượng chất axit có trong nhựa, nó chỉ chiếm
khoảng 1% trong cặn dầu mỏ.
Nhóm asphanten:
Nhóm asphanten là nhóm chất rắn màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1,
chứa phần lớn các hợp chất dị vòng có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua
(CS2). Đun ở 3000C không bị nóng chảy mà bị cháy thành tro.
Ngoài ba chất chính nói trên, trong cặn Gudron còn có hợp chất cơ kim, kim loại
nặng, các chất caben, cacboit rắn, giống như cốc , màu sẫm, không tan trong các dung môi thông thường, chỉ tan trong pyridin.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 20
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 21
Từ sơ đồ trên ta thấy chưng cất chân không là quá trình đầu tiên của hệ thống sản xuất
dầu nhờn, việc phân chia phân đoạn có triệt để hay không đều ảnh hưởng đến các chỉ tiêu của các quá trình cơ bản sản xuất dầu nhờn.
Cặn Gudron (có nhiệt độ sôi 4800C hay 5000C) là phần cặn của quá trình chưng cất
chân không, qua quá trình khử asphanten (phổ biến nhất là dùng propan lỏng) ta thu được phân đoạn dầu nhờn cặn. Tất cả các phân đoạn dầu nhờn qua phân chia ở quá trình chưng
cất chân không: Phân đoạn dầu nhờn nhẹ ( 3000C -4000C), phân đoạn dầu nhờn trung
bình (400-4500C), phân đoạn dầu nhờn nặng (450-5000C) và phân đoạn dầu nhờn cặn
(>5000C) đều phải qua quá trình trích ly (hay làm sạch) bằng dung môi chọn lọc. Tiếp
theo là quá trình kết tinh (hay khử) parafin để giảm nhiệt độ đông đặc của dầu nhờn và cuối cùng là làm sạch lần cuối dầu nhờn bằng cách hấp thụ trên đất sét để tách các chất
nhựa còn lại, tách hết các chất dung môi có lẫn từ quá trình trên xuống và tách hết các
hợp chất axit. Về sau người ta thay thế quá trình này bằng phương pháp hydro hóa. Kiểm
nghiệm cho thấy chất lượng dầu nhờn tốt hơn như giảm được độ cốc, làm mầu dầu sáng hơn, giảm hàm lượng lưu huỳnh trong sản phẩm, chỉ số độ nhớt tăng lên được 1-2 đơn vị,
nhiệt độ đông đặc tăng lên 1-30C. Ngoài ra giá thành sản phẩm cũng rẻ hơn và hiệu suất
sản phẩm cao hơn. Kết thúc hệ thống là giai đoạn pha trộn các cấu tử dầu nhờn và các phụ
gia có chức năng khác nhau với các tỷ lệ khác nhau nhằm đáp ứng với nhu cầu từng loại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
dầu nhờn cho từng mục đích sử dụng.
1.5.2.1. Quá trình chưng chân không mazut
Chưng chân không nhằm tách lấy các phân đoạn riêng biệt dựa vào độ nhớt và khoảng
nhiệt độ sôi.
Mục đích của giai đoạn này là để điều chỉnh độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của dầu
gốc. Tại đây, dầu khoáng được tách thành các phần cất có độ nhớt khác nhau như dầu cọc
sợi nhẹ, dầu cọc sợi nặng, phân đoạn dầu nhờn nhẹ, phân đoạn dầu nhờn nặng và phần
cặn. Nếu phân chia phân đoạn không triệt để thì sẽ làm xấu đi tính chất của dầu nhờn và làm giảm các chỉ tiêu kĩ thuật kinh tế các quá trình làm sạch trong hệ sản xuất dầu nhờn chung như giảm hiệu suất rafinat, giảm hiệu suất quá trình khử parafin, giảm tốc độ lọc ở
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 22
phân xưởng khử parafin, làm tăng sự tạo cốc trên xúc tác ở quá trình làm sạch bằng
hydro.
Hiệu suất các phân đoạn dầu nhờn cất và cặn gudron phụ thuộc vào thành phần
chất lượng dầu mỏ ban đầu và còn phụ thuộc vào sự phân chia có triệt để hay không.
1.5.2.2. Chiết bằng dung môi
Việc tách bằng chưng cất dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi mà không phân loại
hóa học như parafin, aromat, naphten do đó quá trình này chưa loại bỏ hết các cấu tử
không mong muốn ra. Vì vậy, sau quá trình này là giai đoạn chiết tách các cấu tử không
mong muốn bằng dung môi với mục đích cải thiện độ chống lão hóa và đặc tính nhớt
nhiệt của dầu gốc.
Nguyên lí của quá trình tách bằng dung môi là dựa vào tính chất hòa tan chọn lọc
của dung môi được sử dụng. Khi trộn dung môi với nguyên liệu ở điều kiện thích hợp,
cấu tử trong nguyên liệu sẽ được chia thành hai nhóm: Nhóm các cấu tử hòa tan tốt vào dung môi tạo thành pha riêng gọi là pha trích (extract), còn lại không tan hay hòa tan rất ít
vào vào dung môi gọi là rafinat. Sản phẩm có ích có thể hoặc nằm trong pha extract hay
pha rafinat tùy theo dung môi sử dụng. Nhưng trong thực tế người ta quen gọi pha chứa
sản phẩm là rafinat còn pha loại đi là pha extract.
Dựa vào bản chất của dung môi mà người ta chia thành dung môi có cực và dung môi không cực. Dung môi được chọn thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Phải có tính hòa tan chọn lọc, tức là phải có khả năng phân tách thành hai nhóm cấu tử: Nhóm có lợi và nhóm không có lợi cho dầu gốc. Tính chất này gọi là độ chọn lọc
của dung môi.
- Phải bền về hóa học, không phản ứng với các cấu tử của nguyên liệu, không gây ăn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
mòn và dễ sử dụng.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 23
- Có nhiệt độ sôi khác xa so với cấu tử cần tách để dễ dàng thu hồi dung môi, tiết
kiệm được năng lượng.
Những dung môi chọn lọc phổ biến nhất là furfural, nitrobenzene và N-methyl-2 pirolydon (NMP).
1.5.2.3. Quá trình khử asphan trong phần cặn Gudron
Do trong Gudron có chứa nhiều cấu tử không có lợi cho dầu gốc, nên nếu đưa trực
tiếp vào trích ly sẽ không đạt chất lượng và hiệu quả mong muốn, chính vì thế người ta thường tiến hành khử các hợp chất nhựa asphan trước. Dung môi phổ biến nhất là propan lỏng
Propan lỏng là một chất không màu, không mùi nhưng độc với thần kinh trung ương của người và động vật. Trong khoảng nhiệt độ từ 40-600C, nó hòa tan rất tốt với parafin, nhưng độ hòa tan sẽ giảm khi tăng nhiệt độ, ở nhiệt độ tới hạn hydrocacbon đều
không tan trong propan. Trong khoảng nhiệt độ từ 40-96,80C, các chất asphan hầu như
không tan trong propan, vì thế tính chất này sẽ quyết định chế độ công nghệ khử asphan
bằng propan lỏng.
1.5.2.4. Quá trình tách sáp
Sáp là hỗn hợp parafin mạch thẳng và các hydrocacbon khác có nhiệt độ nóng
chảy cao và hòa tan kém trong dầu ở nhiệt độ thấp. Mục đích là loại bỏ sự có mặt của
chúng trong dầu gốc, ngoại trừ khi hàm lượng rất thấp hoặc các loại dầu được sử dụng trong điều kiện không phải ở nhiệt độ thấp.
Các quy trình chính: Quy trình 1:
Làm lạnh để kết tinh sáp và dung môi nhằm hòa tan phần dầu để đưa vào phần lọc
nhanh nhằm tách sáp ra khỏi dầu. Nhiệt độ đông đặc của dầu sau khi tách sáp phụ thuộc
vào chế độ tách sáp, nhất là vào nhiệt độ và loại dung môi được sử dụng. Song chúng ta
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 24
cách sản xuất này gây ra hao hụt dầu lớn. Hơn nữa parafin có độ nhớt ít thay đổi theo
nhiệt độ. Vì vậy, ta chỉ cần tách một phần parafin đáp ứng nhu cầu mà thôi.
Khi tiến hành làm lạnh phân đoạn dầu nhờn, sáp bị tách ra do chúng bị kết tinh. Như vậy, bằng cách kết tinh có thể xử lý dầu nhờn chứa sáp. Quá trình này dựa trên nguyên lý kết tinh parafin rắn bằng cách làm lạnh, sau đó tách chúng khỏi dầu nhờn nhờ
lọc hay ly tâm.
Quy trình 2:
Quá trình cracking chọn lọc để bẻ gãy các phân tử parafin tạo thành những sản
phẩm có mạch parafin nhỏ còn gọi là tách parafin dùng xúc tác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình này có hai loại: Loại thứ nhất chỉ dùng một loại xúc tác nhằm hạ nhiệt độ đông đặc, loại thứ hai dùng hai loại xúc tác vừa để hạ nhiệt độ đông đặc vừa để tăng độ
bền oxi hóa của sản phẩm. Xúc tác thường dùng là loại Zeolite tổng hợp có tính chọn lọc
hình học.
1.5.2.5. Làm sạch bằng hydro
Đây là quá trình xử lý hiện đại thay thế cho quá trình xử lý làm sạch dầu bằng axit sunfuric và đất sét trước kia do những mặt hạn chế nhất định. Mục đích của quá trình là loại bỏ các hợp chất hữu cơ có chứa Nitơ ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc và độ bền của
dầu gốc. Trong quá trình làm sạch, nguyên liệu tiếp xúc với hydro trong điều kiện có xúc
tác và nhiệt độ, áp suất cao thông thường 10-12 MPa và 300-3750C. Đa số sử dụng xúc
tác Mo- Co với tỉ lệ thay đổi tùy theo mức độ cần tẩy màu. Nguyên liệu dầu nhờn còn chứa các hợp chất của các nguyên tố O, N, S được chuyển hóa thành nước, amoniac và sunfuahydro (H2S). Các hydrocacbon thơm một phần bị hydro hóa thành naphten. Tính chất của dầu nhờn sau khi hydro hóa làm sạch được thay đổi như sau:
- Làm giảm độ nhớt 0 – 2
-Làm tăng chỉ số độ nhớt 0 – 2 - Hạ thấp nhiệt độ đông đặc, 0C 0 – 2
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 25
-Tăng sáng màu ( độ) 1 – 2
1.6. Thành phần của dầu động cơ
1.6.1. Dầu gốc
Đặc điểm của dầu động cơ là hoạt động trong môi trường không quá khắc nghiệt,
yêu cầu về kĩ thuật không cao lắm và được dùng với số lượng nhiều nên đòi hỏi phải có
giá thành hạ. Vì vậy dầu gốc dùng để chế tạo dầu động cơ thường là dầu gốc khoáng, là loại dầu có nguồn gốc từ cặn chưng cất dầu mỏ
Do từng loại dầu mỏ khác nhau thì có những tính chất khác nhau nên chất lượng
dầu khoáng luôn bị biến động, nó phù thuộc nhiều vào những thành phần tạo nên chúng gồm có paraffin, aromatic và napthene. Ngoài ra còn có thành phần khác như hợp chất lưu
huỳnh và nitơ chiếm một lượng không đáng kể
- Parafin là những hydrocacbon no có mạch thẳng hoặc mạch nhánh. Chúng có chỉ
số độ nhớt cao, khó bay hơi, khó bị oxi hóa và có nhiệt độ đông đặc cao và rất dễ tạo sáp
- Aromatic là những hydrocacbon thơm. Chúng có chỉ số độ nhớt thấp, dễ bay hơi,
rất dễ bị oxi hóa và có điểm đông đặc rất thấp
- Napthene là những hydrocacbon mạch vòng no. Chúng có chỉ số độ nhớt trung
bình, độ bay hơi trung bình, điểm đông đặc thấp và rất dễ bị oxi hóa
- Các hợp chất lưu huỳnh là những hợp chất oxi hóa
Ngoài ra khi pha chế dầu động cơ, nhà sản xuất cũng có thể dùng dầu tổng hợp.
Dầu gốc tổng hợp có những đặc điểm tốt như độ bền nhiệt và độ bền oxi hóa cao, chỉ số độ nhớt cao, ít bay hơi, nhiệt độ đông đặc cao mà dầu gốc khoáng không có. Tuy nhiên do thành phần của dầu gốc tổng hợp là những hydrocacbon tổng hợp như là olefin, olegomer, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
alkylated aromatic, polybutene, cycloaliphatic, polyglyycol… là những hợp chất cao phân
tử rất khó chế tạo, cho nên giá thành dầu gốc tổng hợp thường cao. Vì vậy dầu gốc tổng
hợp thường chỉ được dùng để pha trộn các loại dầu đặc chủng
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Công nghệ kĩ thuật hóa học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 26
1.6.2.1. Khái niệm
Phụ gia là những chất được thêm vào dầu gốc nhằm mục đích làm tăng tính năng
có lợi của dầu. Phụ gia có thể là hợp chất hữu cơ, vô cơ hay là cơ kim…Nồng độ phụ gia
thêm vào dầu gốc thường là rất nhỏ, nồng độ này có thể biến đổi từ vài ppm đến vài phần trăm.
Hiện có hai kiểu phụ gia được thêm vào dầu gốc đó là phụ gia làm tăng những tính năng đã có sẵn bên trong dầu gốc và phụ gia tạo những tính chất mới cho dầu gốc
1.6.2.2. Lịch sử phát triển phụ gia
Trước năm 1932, dầu bôi trơn dùng cho các loại động cơ ô tô chỉ được pha trộn từ
những loại dầu gốc chứ không được thêm phụ gia. Nhưng trong quá trình hoạt động, vật
liệu chế tạo động cơ kết hợp với dầu khoáng, đồng thời dầu khoáng bị oxi hóa do hoạt