CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM XĂNG VÀ DẦU DIESEL (DO)
3.2.2 Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của dầu diesel DO.
Tỷ trọng.
Phương pháp xác định tỷ trọng của sản phẩm dầu mỏ là ASTM D1298-96; TCVN 6594 : 2007.
• Quy trình xác định tỷ trọng [3].
Mẫu được đưa về nhiệt độ chuẩn quy định chính xác bằng mày điều nhiệt (là 15 oC hoặc 20 oC) hoặc mẫu được giữ ở nhiệt độ thích hợp khác là nhiệt độ đo được của mẫu hoặc nhiệt độ của mẫu trùng với nhiệt độ phòng.
Ống đong hình trụ, có đường kính trong của ống ≥25 mm so với đường kính ngoài của tỷ trọng kế. Chiều cao của ống đong phải đủ để tỷ trọng kế nổi trong mẫu và đáy của tỷ trọng kế cách đáy của ống đong ít nhất 25 mm. Đưa nhiệt độ ống đong và nhiệt độ tỷ trọng kế gần bằng nhiệt độ mẫu thử.
Rót mẫu nhẹ nhàng vào ống đong sao cho tránh tạo bọt và tránh sự bay hơi của các phân đoạn nhẹ (khi cần thiết phải dùng xi phông), sao cho đủ lượng để tỷ trọng kế nổi được và đọc được số. Gạt bỏ tất cả các bọt khí sau khi chúng nổi trên bề mặt mẫu bằng cách dùng giấy lọc sạch chạm vào chúng.
Đặt ống đong chứa mẫu ở vị trí thẳng đứng, thả từ từ tỷ trọng kế thích hợp vào sao cho không chạm vào thành nống và để yên. Chú ý phần nổi của tỷ trọng kế không được ướt. Dùng nhiệt kế để khuấy mẫu sao cho bầu thủy ngân luôn ngập trong mẫu thử. Ngay sau khi số đọc của nhiệt kế ổn định, ghi lại nhiệt độ của mẫu chính xác đến 0,25 oC sau đó lấy nhiệt kế ra.
Ấn tỷ trọng kế xuống khoảng hai vạch và sau đó thả tỷ trọng kế ra hoặc có thể xoay nhẹ để đưa tỷ trọng kế về trạng thái cân bằng, nổi tự do không chạm vào thành ống. Đặt mắt ngang bề mặt chất lỏng, đọc đúng vạch cắt của thang chia độ và mặt chất lỏng theo hai trường hợp: chất lỏng trong suốt và chất lỏng đục.
Độ nhớt của dầu diesel.
Có hai loại độ nhớt là độ nhớt động lực và độ nhớt động học. Trong công nghiệp dầu mỏ thường dùng độ nhớt động học, còn độ nhớt động lực được sử dụng nhiều trong các phương pháp nghiên cứu. Độ nhớt động học được xác định bằng phương pháp ASTM D445 - 06; TCVN 3171: 2007 sử dụng nhớt kế mao quản chảy ngược với đơn vị đo chủ yếu là cSt.
• Quy trình xác định độ nhớt bằng nhớt kế mao quản [3]:
- Chọn nhớt kết phù hợp với độ nhớt của dầu sao cho tốc độ chảy khoảng 200 - 800 giây.
- Nạp vào dụng cụ đo (nhớt kế) một lượng dầu thích hợp.
- Để ổn định nhiệt tại một nhiệt độ nhất định trong bình ổn định nhiệt khoảng
30 phút sao cho đạt cân bằng nhiệt độ bên trong mẫu cần đo và nhiệt độdầu của thiết bị ổn định nhiệt, dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian chảy của lượng dầu trên từ vạch này đến vạch kia của dụng cụ đo, phụ thuộc vào hằng số nhớt kế(k) ta tính được độ nhớt động học của dầu theo công thức sau đây:
v = k.t Trong đó: ν: độ nhớt động học (cSt);
k: hằng số nhớt kế (cSt/s); t: thời gian chảy (s).
Trị số xêtan (CN – Cetane number) – Chỉ số xêtan (CI –Cetane Index).
Trị số xêtan không có ý nghĩa quan trọng và sống còn như trị số Octan, nó không hoàn toàn quyết định hiệu suất động cơ, song nhiên liệu có trị số xêtan thấp hơn yêu cầu có thể dẫn đến những khó khăn, trục trặc khi khởi động máy, gây tiếng ồn, khí thải độc hại...
Hình 3.5 Cụm thiết bị đo trị số xêtan [3]
Trị số xêtan thường được đo bằng động cơ CFC trong phòng thí nghiệm theo phương pháp ASTM D613 – 05; TCVN 7630:2007. Động cơ CFC này hoàn toàn tương tự động cơ dùng để đo ON, nhưng dĩ nhiên có xilanh kiểu động cơ điêzen. Bản chất của phương pháp là: so sánh đặc tính cháy của mẫu trong động cơ thử nghiệm ở các điều kiện tiêu chuẩn với hai hỗn hợp nhiên liệu so sánh đã biết trước trị số xêtan. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng quy trình chặn trên và chặn dưới tay quay để thay đổi tỷ số nén (số đọc trên thước của tay quay) của mẫu và
từng cặp nhiên liệu chuẩn chặn trên và chặn dưới. Dựa vào thời gian cháy trễ của mẫu và hai mẫu so sánh sẽ cho phép ta nội suy ra trị số xêtan của mẫu cần xác định. Quá trình nội suy được minh họa trên hình 3.5 và tính trị số xêtan của mẫu theo biểu thức sau:
Hình 3.5 Trình tự đo mẫu và các nhiên liệu chuẩn so sánh [3]
Đưa mẫu vào bình chứa nhiên liệu, rửa sạch buret chứa nhiên liệu, đuổi không khí khỏi ống dẫn nhiên liệu và bơm. Đặt van chuyển đổi nhiên liệu để vận hành động cơ với nhiên liệu này.
Chú ý: Việc lựa chọn mẫu chuẩn rất quan trọng đến sai số của phép đo. Mẫu đo phải có trị số xêtan nằm giữa trị số xêtan của hai mẫu chuẩn. Song chênh lệch trị số
xêtan giữa hai mẫu chuẩn so sánh này phải không vượt quá 5,5 đơn vị xêtan.
- Kiểm tra tốc độ chảy của nhiên liệu và chỉnh núm điều chỉnh tốc độ nhiên liệu của bơm sao cho lượng nhiên liệu tiêu thụ là 13 ml trong 1 phút.
- Điều chỉnh núm thời điểm phun nhiên liệu của bơm để đạt được số đọc của góc phun sớm là 13o.
- Điều chỉnh tay quay để thay đổi tỷ số nén và có được số đọc của góc cháy trễ là 13o. - Vận hành máy, trong khoảng thời gian từ 5 – 10 phút máy sẽ chạy ổn định. Quan sát và ghi lại số đọc trên thước của tay quay.
Trong thực tế người ta hay dùng đại lượng gọi là chỉ số xetan (CI: cetan index). Chỉ số xetan được tính toán từ các phương trình kinh nghiệm. Hầu hết các nhà máy lọc dầu đều dùng cách tính của ASTM D 976 - 06, theo đó chỉ số xêtan được tính như sau :
CI = 65,011(logT)2 + [0,192(oAPI).logT] + 0,16 (oAPI)2 −0,0001809(T)2 −420,34 Trong đó : T: là nhiệt độ điểm sôi 50%V, oF.
oAPI được xác định ở 60 oF (15,5 oC) tính theo công thức sau: 5 , 131 5 , 141 60 60 − = d API o
Hoặc CI có thể tính theo công thức sau:
CI = 454,74 – 1642,416D – 774,74D2- 0,554B + 97,803(log B)2
D: là tỷ trọng của dầu ở 15 oC, g/ml (kg/l). B: là nhiệt độ cất 50%V, oC.
Tiêu chuẩn ASTM D4737 – 04; TCVN 3180:2007 cũng đưa ra cách tính chỉ số xêtan cho nhiên liệu điêzen được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM D975. Theo tiêu chuẩn này, có hai quy trình tính chỉ số xêtan dựa vào mối liên hệ giữa các thông số khối lượng riêng, T10, T50 và T90.
Quy trình A: quy định cách tính chỉ số xêtan cho nhiên liệu điêzen loại 1- D:
CI = 45,2 + 0,0892.T10N + (0,131+ 0,901.B).T50N + (0,0523 - 0,420.B).T90N + 0,00049[(T10N)2 - (T90N)2]+107B+60B2 0,00049[(T10N)2 - (T90N)2]+107B+60B2
Trong đó: D: khối lượng riêng của mẫu ở 15 oC, g/ml. DN = D – 0,85;
B = e-3,5DN – 1;
T10; T50; T90: Nhiệt độ chưng cất thu được 10%V; 50%V; 90%V mẫu, oC. T10N = T10 – 215
T50N = T50 – 260 T90N = T90 - 310
Quy trình B: quy định cách tính chỉ số xêtan cho nhiên liệu điêzen loại 2- D: CI = - 386,26D + 0,1740T10 + 0,1215T50 + 0,01850T90 + 297,42
Xác định nhiệt độ hóa đục, nhiệt độ rót theo tiêu chuẩn ASTM D2500 – 03 bằng thiết bị được bố trí như hình 3.5. Đầu tiên, mẫu dầu được đựng trong ống mẫu và đặt trong một bao không khí. Tất cả được nhúng trong bình điều nhiệt. Hạ dần nhiệt độ và theo dõi độ trong suốt của mẫu dầu ở từng độ bách phân, khi nào mẫu bắt đầu xuất hiện các tinh thể có dạng mây thì nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ hóa đục. Tương tự như trên, tuy nhiên nhiệt kế trong phép thử nhiệt độ hóa đục được đặt chạm đáy ống đựng mẫu còn trong phép thử nhiệt độ rót, nhiệt kế được đặt cao hơn, mép trên của bầu thủy ngân nằm cách mặt mẫu dầu khoảng 3 mm. Khi qua nhiệt độ hóa đục, tiếp tục hạ nhiệt độ, cứ khi nhiệt độ thay đổi 3 oC, lấy ống mẫu ra để quan sát, sau đó lại cho vào vỏ không khí. Cứ làm thế cho đến khí không nhìn thấy sự chuyển động của mẫu dầu khi ống được giữ sang vị trí nằm ngang trong 5 giây. Nhiệt độ khi đó được gọi là nhiệt độ rót.
Hình 3.5: Thiết bị xác định nhiệt độ hóa đục, nhiệt độ rót Nhiệt độ đông đặc.
Xác định nhiệt độ đông đặc theo tiêu chuẩn ASTM D97 – 03. Đong 25 ml mẫu cho vào ống mẫu. Ống mẫu được đưa vào bao không khí, đậy lắp kín sao cho giữ chặt
được cánh khuấy, điều chỉnh vị trí nhiệt kế sao cho mép dưới của bầu thủy ngân cách đáy ống mẫu khoảng 10 -15 mm. Bề mặt của mẫu phải thấp hơn bề mặt của chất lỏng làm mát từ 10 – 20 mm. Thêm đá khô vào duy trì mức nước làm mát đối với bao chân không. Khuấy liên tục mẫu với tốc độ khuấy khoảng 1 – 1,5 vòng/giây. Hạ nhiệt độ mẫu xuống cho đến khi xuất hiện các tinh thể hydrocacbon thì bỏ ống mẫu ra khỏi bao không khí, vẫn duy trì sự khuấy như trên. Quan sát mẫu, khi nào các tinh thể hydrocacbon biến mất hoàn toàn thì ghi lại nhiệt độ đó. Nhiệt độ xác định được gọi là nhiệt độ chảy hay điểm đông đặc.
Hình 3.6: Thiết bị xác định nhiệt độ đông đặc
Ăn mòn tấm đồng.
Ăn mòn tấm đồng ở 50 oC trong 3 giờ được xác định theo phương pháp ASTM D130 – 04; TCVN 2694 : 2007.
• Quy trình xác định [3]:
Cho 30 ml mẫu hoàn toàn sạch, không có tạp chất và nước lơ lửng vào ống thử khô, sạch (làm sạch bằng hoá chất), ống có đường kính 25 mm và dài 150 mm, trong vòng 1 phút thả trượt tấm đồng đã được đánh bóng lần cuối vào ống mẫu. Đặt cẩn thận ống thử vào bình thử và vặn nắp chặt. Nếu phân tích nhiều mẫu trong cùng
một thời gian, thì được phép chuẩn bị từng bình áp suất trong một mẻ, trước khi nhúng chìm từng bình áp suất vào trong bể chất lỏng ở nhiệt độ quy định. Sau thời gian nhất định bình áp suất, lấy ống thử ra và đánh giá kết quả thử nghiệm so với bảng tiêu chuẩn ASTM về ăn mòn tấm đồng.
Đánh giá tấm đồng.
Rót toàn bộ mẫu trong ống thử vào một vật chứa thích hợp. Nếu vật chứa là cốc thuỷ tinh cao thành có dung tích 150 ml, thì nhẹ nhàng thả trượt tấm đồng vào cốc để tránh vỡ cốc. Dùng kẹp thép không gỉ lấy ngay tấm đồng ra và nhấn chìm vào dung môi rửa, sau đó lại lấy tấm đồng này ra ngay, làm khô và kiểm tra độ xỉn hoặc ăn mòn bằng cách so sánh với bảng chuẩn ăn mòn đồng ASTM theo bảng 3.5. Để làm khô tấm đồng, có thể thấm bằng giấy lọc, làm khô bằng không khí, hoặc các biện pháp thích hợp khác. Đặt tấm đồng và bảng chuẩn ăn mòn đồng ASTM nghiêng một góc 45o để quan sát.
Bảng 3.5 Đánh giá mức độ ăn mòn tấm đồng
Hàm lượng tro.
Hàm lượng tro được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D482 - 03; TCVN 2690:2007. Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định hàm lượng tro trong khoảng 0,001% đến 0,180% khối lượng có trong các loại nhiên liệu phần cất nhẹ và
các nhiên liệu cặn, nhiên liệu tuốc bin khí, dầu thô, dầu bôi trơn, sáp và các sản phẩm dầu mỏ khác, trong đó bất kỳ các chất tạo tro nào có mặt thường được coi là tạp chất hoặc các chất nhiễm bẩn không mong muốn.
• Quy trình xác định.
Nung đĩa hoặc chén bay hơi sẽ dùng trong phép thử ở 700 oC đến 800 oC ít nhất trong 10 phút. Làm nguội đến nhiệt độ phòng trong bình làm nguội phù hợp và cân với độ chính xác đến 0,1 mg
Bảng 3.6 Hàm lượng tro dự kiến
Lượng mẫu thử cần lấy phụ thuộc vào tro dự kiến có trong mẫu như bảng 3.6. Cân đủ mẫu vào đĩa hoặc chén chính xác đến 0,1 g để có lượng tro đến 20 mg. Dùng đèn đốt Meeker hoặc loại tương đương cẩn thận nung đĩa hoặc chén cho đến khi mẫu cháy thành ngọn lửa. Duy trì nhiệt độ nung đĩa và chén sao cho mẫu tiếp tục cháy đều với tốc độvừa phải, chỉ để lại tro và cacbon khi dừng cháy. Nung cặn trong lò nung ở 775 oC ± 25 oC cho tới khi tất cả các hợp chất chứa các bon biến mất. Làm nguội đĩa tới nhiệt độ phòng trong bình làm nguội rồi cân chính xác đến 0,1 mg.
Nung lại đĩa ở 775 oC ± 25 oC trong 20 - 30 phút, làm nguội trong bình làm nguội rồi cân lại. Lặp lại thao tác nung và cân cho tới khi chênh lệch kết quả giữa hai lần cân liên tiếp không lớn hơn 0,5 mg.
Tính kết quả: Tro được tính bằng phần trăm khối lượng của các mẫu thử ban đầu theo công thức:
100 ,% = × W w kl Tro
Trong đó: w. là khối lượng tro, gam; W. là khối lượng mẫu thử, gam.
Hàm lượng cặn cacbon conradson.
Phương pháp xác định cặn cacbon conradson được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 189 – 05; TCVN 6324 : 2006
• Quy trình xác định.
Cho một lượng mẫu đã cân trước vào chén sứ, lắc kỹmẫu thử, khi cần giảm độ nhớt, làm nóng mẫu ở nhiệt độ 50 oC ± 10 oC trong 0,5 giờ. Ngay sau khi làm nóng và lắc mẫu, cho lọc phân chia qua sàng 100. Cân 10 gam không chứa hơi ẩm và các chất lơ lửng, cho vào chén sứ hoặc chén thuỷ tinh đã cân bì trước trong đó có sẵn hai hạt thuỷ tinh đường kính khoảng 2,5 mm. Đặt chén này vào giữa chén Skidmore, san phẳng lớp cát rải trong chén sắt ngoài và đặt chén Skidmore lên chính giữa lớp cát đó.
Đậy nắp cả hai chén Skidmore và chén sắt, riêng nắp chén sắt chỉ đậy hờ để cho hơi tự do thoát ra. Đặt giá đỡ tam giác làm bằng dây niken – Crôm lên giá hoặc vòng đỡ thích hợp rồi đặt tấm cách nhiệt lên giá đỡ. Sau đó đặt chén sắt ở giữa tấm cách nhiệt sao cho đáy của nó nằm trên mặt của tam giác, và đậy toàn bộ bằng chụp sắt để nhiệt được phân bố đồng đều trong suốt quá trình thử.
Dùng đèn Meker để đốt với ngọn lửa cao và mạnh, sao cho thời gian từ lúc bắt đầu đốt đến lúc mẫu bắt cháy là (10 ± 1,5) phút (thời gian ngắn hơn thì mẫu sẽ bay hơi quá nhanh gây nên sủi bọt hoặc ngọn lửa quá cao). Khi khói xuất hiện ở phía trên ống khói, nhanh chóng di chuyển hoặc nghiêng đèn sao cho ngọn lửa dọi vào thành chén để đốt cháy hơi. Sau đó tạm thời bỏ đèn ra ngoài, và trước khi đặt đèn trở lại cần điều chỉnh bằng cách vặn van trên ống dẫn khí đốt sao cho hơi cháy đều đặn với ngọn lửa trên ống khói, nhưng không vượt quá cầu bắt ngang của sợi dây làm mức. Nếu cần thiết, phải tăng nhiệt độ khi không thấy ngọn lửa cháy trên ống khói. Thời gian đốt hơi sẽ là 13 phút ± 1 phút. Nếu không thể đạt được cả hai yêu cầu về thời gian đốt và ngọn lửa thì yêu cầu về thời gian đốt là quan trọng hơn. Khi hơi ngừng cháy và quan sát không thấy còn khói xanh thì điều chỉnh lại đèn đốt và duy trì việc cấp nhiệt như ban đầu để phần dưới đáy và chén sắt ngoài có màu đỏ tím, duy trì như vậy đúng 7 phút. Tổng thời gian đốt là 30 phút ± 2 phút, có thể kéo dài thêm giai đoạn trước bắt cháy và thời gian cháy.
Tắt đèn đốt và để cho thiết bị nguội cho đến khí không còn khói và sau đó mở nắp trên chén Skidmore (sau khoảng 15 phút). Dùng cặp đã hơ nóng gắp chén sứ hoặc chén thuỷ tinh ra, đặt vào bình chống ẩm, để nguội rồi cân.
Cặn cacbon của mẫu hoặc cặn cacbon có trong cặn chưng cất 10% (X) được tính bằng phần trăm khối lượng theo công thức: