Xem mẫu
- 25
gian hay naphten theo tỉ trọng của chúng và dầu thô được phân loại theo bản chất của phân
đoạn chìa khóa theo bảng dưới đây:
- 26
Bảng 10.
Phân loại dầu thô theo Lane và Garton
trọng 15,5/15,5°C
Tỉ
Tỉ trọng 15,5/15,5°C của
của phân
Loại dầu thô phân đoạn chìa
đoạn chìa
khóa 2
khóa 1
≤ 0,8251 ≤ 0,8762
Parafin
Parafin ÷ Trung gian 0,934 ÷ 0,8762
nt
Parafin ÷ Naphten ≥ 0,934
nt
0,8251 ÷ 0,8602 0,934 ÷ 0,8762
Trung gian
Trung gian ÷ Parafin ≤ 0,8762
nt
Trung gian ÷ Naphten ≥ 0,934
nt
≥ 0,8602 ≥ 0,934
Naphten
Naphten ÷ Parafin ≤ 0,8762
nt
Naphten ÷ Trung gian 0,934 ÷ 0,8762
nt
Theo cách phân loại này, một dầu thô được gọi là không chứa sáp hay có chứa sáp tùy
theo điểm đục của phân đoạn chìa khóa 2 thấp hơn hay cao hơn −15°C.
Theo cách phân loại dầu thô như trên, có khoảng 85% dầu thô trên thế giới rơi vào 3
loại đơn giản là parafin, trung gian và naphten. Các dầu thô parafin - naphten và trung
gian - naphten không thấy tồn tại.
Cách phân loại dầu thô của Lane và Garton là một cách đổi mới về phân loại dầu thô
theo 4 nhóm mà trong nhiều trường hợp người ta thấy rằng một kiểu hiđrocacbon nào đó
có thể chiếm chủ yếu trong một phân đoạn này và nó cũng có thể chiếm chủ yếu trong một
phân đoạn khác. Vì thế những nghiên cứu chi tiết cần được xác định để phân loại dầu thô
được chính xác hơn.
Vì dầu thô được đo bằng thể tích, nên hệ số dãn nở nhiệt của chúng rất quan trọng. Giá
trị của đại lượng này bình thường tăng lên với sự giảm khối lượng riêng của dầu trên một
khoảng từ 0,0007 ÷ 0,0010 khi nhiệt độ tăng 1°C. Đối với các phân đoạn dầu thì sự thay
đổi có rộng hơn như sau:
Sự thay đổi hệ số dãn nở nhiệt
Phân đoạn dầu
/° C
“Xăng” khối lượng riêng < 0,740
0,00086
(g/ml)
khối lượng riêng > 0,740
0,00081
(g/ml)
Dầu hoả 0,00072
Dầu gazoin 0,00064
Nhiên liệu điezen 0,00063
Độ nhớt của dầu mỏ thay đổi rất lớn, thậm chí với các dầu từ cùng một khu vực khai
thác. Độ nhớt tăng lên cùng với khối lượng riêng. Cả hai đại lượng độ nhớt và khối lượng
riêng càng cao nếu các parafin lỏng càng cao.
Bảng 11.
- 27
Giá trị nhiệt dung riêng của một số dầu thô tại các địa điểm khác
nhau
Khối lượng riêng
Địa điểm Nhiệt dung riêng (cal/(C/g)
g/cm3
Pensylvania 0,810 0,500
California 0,960 0,398
Nga 0,908 0,435
Burna 0,924 0,406
Scottland 0,880 0,406
Người ta cũng nhận thấy rằng: các dầu có cùng khối lượng riêng nhưng độ nhớt thay
đổi rất rộng. Sự tăng nhiệt độ gây nên sự giảm rất nhanh độ nhớt và khi tăng một vài độ
thông thường đã gây nên dầu có thể chảy tự do.
Nhiệt dung riêng của dầu là đại lượng rất quan trọng vì nó cần thiết để đốt nóng các
dầu nhiên liệu trước khi sử dụng. Nhiệt dung riêng giảm đi gần như tỉ lệ với sự tăng khối
lượng riêng. Bảng 11 trình bày các giá trị này đối với các dầu thô khác nhau.
2.2 Sản xuất nhiên liệu từ lọc dầu
Để nâng cao giá trị của dầu thô, thông thường dầu thô phải trải qua một số kiểu chưng
cất, các quá trình chế biến và làm sạch lưu huỳnh trước khi đem bán ngoài thị trường.
Bước đầu tiên là chưng cất sơ cấp dầu thô sau khi đã loại hết các chất bẩn, muối và
nước thành các phân đoạn đầu tiên gồm: xăng, xăng nhẹ, xăng nặng, dầu gazoin và dầu
điezen, tiếp theo giai đoạn cất chân không người ta tách được dầu bôi trơn từ phần dầu
madút. Khoảng gần đúng của các phân đoạn này được trình bày trong hình 4.
Bản thân dầu thô sau khi đã loại bỏ bùn, cát, nước lẫn trong đó cũng là một loại
nhiên liệu. Nhưng trong thực tế ít khi người ta dùng ngay dầu thô làm nhiên liệu mà
thường tách dầu thô thành các phân đoạn hay các loại nhiên liệu thỏa mãn các yêu cầu kĩ
thuật khác nhau. Hình 4 ở trên là sơ đồ tách dầu thô thành các phân đoạn nhiên liệu khác
nhau mà không làm thay đổi bản chất sẵn có của chúng trong tự nhiên.
Việc tách phân đoạn dầu thô bằng cách chưng cất chọn lọc ở trên có thể nâng cao hiệu
quả của nhiên liệu và thỏa mãn các yêu cầu phức tạp của các nhà công nghiệp sản xuất các
loại động cơ xăng, động cơ điezen, động cơ phản lực khác nhau...
Do đặc điểm của các loại dầu thô khác nhau dẫn đến công nghệ lọc - hóa dầu cũng
khác nhau. Bảng 12 trình bày những tính chất rất khác biệt giữa dầu parafin và dầu asphalt.
- 28
Hình 4.
Sơ đồ tách dầu thô thành các phân đoạn nhiên liệu khác nhau
- 29
Bảng 12.
Các đặc trưng của dầu thô parafin và asphalt
Tính chất và hiệu suất Dầu thô parafin Dầu thô asphalt
Khối lượng riêng Thấp Cao
Hiệu suất xăng Cao Thấp
Hàm lượng lưu huỳnh Thấp Cao
Tỉ lệ hiđro / cacbon Thấp Cao
Điểm khói của phân đoạn dầu hỏa Cao Thấp
Chỉ số xetan của dầu DO Cao Thấp
Điểm sương của phân đoạn FO Cao Thấp
Hiệu suất phân đoạn dầu bôi trơn Cao Thấp
Chỉ số độ nhớt của dầu bôi trơn Cao Thấp
Hiệu suất phần sáp Cao Thấp
Hiệu suất bitum Thấp Cao
Mùi Thơm Khó chịu
Màu Sáng Tố i
Vì thế, với mục đích tách các phân đoạn dầu làm nhiên liệu sơ đồ chưng cất các loại dầu
parafin và asphalt có thể được trình bày như sau:
- Đối với dầu parafin (trong sơ đồ này chữ viết tắt: n.l. = nhiên liệu)
Dầu parafin
Dầu mazut, n.l. lỏng
Xăng Dầu gazoin, n.l.
Dầu hỏa
Khí
nặng (được chưng cất
điezen (gas oil,
(gasoline)
(gas) (kerosine)
trong chân không, fuel
diezel fuel)
oil)
Các distilat
(distilate) Sáp và sản phẩm chưng cất Cặn A, n.l.
) đã được chọn lọc (Wax and (residue A. fuel)
distilate, filtered)
Dầu bôi trơn
Sáp (wax)
(lubricating oil)
- Đối với dầu asphalt
- 30
Dầu asphalt
Dầu mazut, n.l. lỏng nặng
Xăng Dầu gazoin, n.l.
Khí Dầu hỏa
(được chưng cất trong
(gasoline) điezen (gas oil,
(gas) (kerosine)
chân không, fuel oil)
diezel fuel)
Các distilat
(distilate)
N.l. điezen Dầu bôi trơn (crude Bitum hay dầu n.l.
nặng (bitumen or
(diezel fuel) lubricating oil)
heavy fuel oil)
Dầu bôi trơn tinh luyện
(refined lubricating oil)
Do giao thông ngày càng phát triển, nhu cầu về xăng và các loại nhiên liệu khác ngày
càng tăng cả về số lượng lẫn chất lượng nên dầu thô được chế biến bằng nhiều phương
pháp khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thị trường như:
- Crackinh nhiệt: cung cấp xăng có chỉ số octan cao.
- Crackinh xúc tác: cho xăng (xăng cracking) có chứa hàm lượng olefin thấp hơn so
với crackinh nhiệt nhưng hàm lượng hiđrocacbon phân nhánh cao hơn và chỉ số
octan có khi vượt quá 90.
- Crackinh với hơi nước.
- Hiđrocrackinh
- Refominh xúc tác: cho xăng (xăng refominh - refomat) có đặc tính thơm cao, chỉ
số octan cao.
- Polime hoá xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh.
- Ankyl hoá xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh (alkylat).
- Đồng phân hóa xúc tác: cho xăng có chứa hiđrocacbon phân nhánh (isomerat).
Sau các quá trình trên, thông thường các sản phẩm dầu trước khi sử dụng cần phải trải
qua giai đoạn làm sạch để loại hết các vết lưu huỳnh, nitơ và các chất bẩn khác. Có nhiều
cách làm sạch các sản phẩm dầu: rửa bằng các tác nhân axit (H2SO4) để loại các
hiđrocacbon olefin, rửa bằng dung dịch đioxit chì trong NaOH để loại các hợp chất
sunfua... Ngày nay, người ta thường dùng các phương pháp hiđro hoá xúc tác, hiđro hóa
làm sạch các sản phẩm dầu. Tất cả các quá trình vừa nói ở trên được bố trí trong nhà máy
lọc dầu (refinery). Sơ đồ công nghệ của nhà máy được trình bày trên hình 5.
- 31
Hình 5.
Sơ đồ nhà máy lọc dầu Nghi Sơn - Thanh Hóa
2.3 Sản xuất nhiên liệu từ cát bitum (Bituminous Sands)
Dầu mỏ hay các sản phẩm tự nhiên tương tự được tìm thấy trong cát hay khoáng sét ở
lớp tương đối gần của vỏ Trái Đất được gọi là cát bitum. Có nơi cát bitum lộ thiên gồm dầu
asphalt rất nhớt và nước trộn với cát, bùn và sét. Tỉ lệ dầu/nước = 12÷16 / 3÷15 tính theo
phần trăm.
Việc tách dầu ra khỏi hỗn hợp cát, bùn và sét rất khó khăn nhưng đến nay người ta đã
tìm được phương pháp tách dầu này. Tất cả các loại dầu tách được đều là các loại dầu
asphalt. Tỉ trọng của chúng thay đổi từ 1,4 ÷ 1,5 và nhiệt trị của dầu vào khoảng 9990
- 32
kcal/kg. Như vậy, các dầu thu được là dầu rất nặng. Khi chưng cất thông thường người ta
chỉ thu được 5% phân đoạn sôi dưới 180°C.
Có 3 phương pháp tách dầu ra khỏi cát. Đó là phương pháp tách bằng nước nóng, tách
bằng nước lạnh và chưng cất.
1) Phương pháp tách bằng nước nóng
Cát bitum được trộn với 10% (theo trọng lượng) nước nóng ở 85°C. Sau đó làm ngập
bằng nước nóng hơn rồi để yên. Dầu nổi lên được gạn ra khỏi bể chứa. Bằng phương
pháp này người ta có thể thu hồi được 80% dầu. Hỗn hợp nổi lên chứa 5% khoáng tự
nhiên và 30% nước.
2) Phương pháp tách bằng nước lạnh
Cát bitum trộn với nước lạnh theo tỉ lệ 1/3 và một lượng dầu hoả (kerosine) bằng
lượng dầu trong cát trong sự có mặt của kiềm và tác nhân dính ướt. Dầu nổi lên, được gạn
ra và để yên. Hiệu suất thu hồi theo phương pháp này đạt tới 95% nhưng dầu thô vẫn còn
chứa tới 3% các khoáng tự nhiên.
3) Phương pháp chưng cất nóng
Người ta thổi cát dầu cùng với không khí vào thiết bị tách để cung cấp nhiệt cho quá
trình tách. Dầu được đốt nóng và tách ra khỏi cát, sét. Dầu thu được qua phương pháp
chưng cất nóng thường có khối lượng riêng khoảng 0,955 g/cm3 và có các tính chất sau
đây:
- Hàm lượng nước: 0,2%
- Hàm lượng tro: 0,7%
- Hàm lượng lưu huỳnh: 4,2%
- Cặn cacbon Conradson: 6,0%
Độ nhớt: 157 centistocks ở 21°C
-
Các phần chưng cất:
5% ở 180°C
-
10% ở 230°C
-
50% ở 340°C
-
80% ở 360°C
-
Bằng cách cất trực tiếp, người ta có thể thu được 15% naphta, 85% dầu madút. Dầu
madút này rất dễ bị phá vỡ ở 350°C.
2.4 Sản xuất nhiên liệu từ dầu nham phiến
Dầu có trong nham phiến đạt trữ lượng khá lớn trên thế giới. Trữ lượng lớn nhất về
dầu nham phiến là ở Liên Xô (trước đây) và Mỹ. Nham phiến chứa dầu là một loại đá có
mầu nâu tới màu đen. Khi phơi nắng có mầu xám tối. Nham phiến này cứng, giòn và giữ
nguyên dạng của nó khi chưng cất mặc dù cấu trúc lớp của đá rất rõ ràng.
- 33
Để tách dầu lấy từ nham phiến, người ta dùng phương pháp chưng cất với hơi nước.
Lượng hơi nước được đưa vào tới 40%. Sau đó nham phiến thô được chưng cất tới cốc
trong các nồi chưng ống. Nồi chưng cốc cuối cùng cho sản phẩm bão hoà và bền vững hơn.
Phép chưng cất này cho xăng thô, dầu không chứa sáp, dầu có sáp. Sáp được thu hồi bằng
cách nén cho kết tinh ở ≈ −10°C. Hai sản phẩm không chứa sáp được tinh luyện bằng cách
xử lí với kiềm hoặc axit và cất lấy dầu điezel. Dầu điezel gồm hầu hết các parafin và có
chất lượng cao, chỉ số xetan cao, nhưng lại không thích hợp cho xăng động cơ vì chỉ số
octan thấp (khoảng 58). Sáp được tinh luyện, được tẩy trắng và được chế tạo thành nến và
được dùng như một nhiên liệu.
2.5 Sản xuất nhiên liệu từ dầu than đá
Khi chưng cất khan (không có không khí) than đá ta sẽ thu được dầu than đá. Từ dầu
than đá thô, bằng cách chưng cất tiếp tục người ta thu được các nhiên liệu sau:
Xăng động cơ ở phân đoạn cuối của dầu creosote thu được bằng cách xử lí thứ cấp với
hiđro.
Benzen chỉ thu được một phần từ nhựa than đá. Phần lớn hơn có thể thu được bằng
cách xử lí khí than đá với hơi nước. Nhựa than đá chứa các hiđrocacbon đa nhân hoà tan
trong benzen.
Không giống các dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ, dầu than đá có chứa một tỉ lệ lớn các
hợp chất chứa oxi (dưới dạng phenol), nitơ dưới dạng các bazơ hữu cơ. Các thành phần
nguyên tố chính của dầu than đá từ cùng một than nhưng cách tách nhiên liệu khác nhau
cũng cho các kết quả khác nhau (bảng 13).
Các dầu than đá nhiệt độ thấp khác đáng kể dầu than đá nhiệt độ cao như khối lượng
riêng thấp hơn, không có naphten.
- 34
Bảng 13.
Thành phần nguyên tố chính của dầu than đá theo điều kiện chưng
cất
Thành phần nguyên Nồi cất nằm Nồi cất thẳng Cất ở nhiệt độ
tố (%) ngang đứng thấp
Cacbon 85,9 85,7 83,5
Hiđro 6,3 6,3 8,5
Lưu huỳnh 1,2 1,6 0,8
Nitơ 2,0 1,0 1,0
Oxi 4,0 5,4 6,2
Những tính chất khác của dầu than đá là:
- Nhiệt trị thay đổi trong giới hạn tương đối nhỏ;
- Hệ số dãn nở thay đổi rất ít;
Nhiệt dung riêng của dầu than đá thay đổi từ 0,30 ÷ 0,4 cal/g.độ ở 40°C và nhiệt
-
dung riêng của các dầu và dầu than đá thay đổi từ 0,3 ÷ 0,38 ở 15 ÷ 40°C.
- 35
Chương 3
CÁC NHIÊN LIỆU TỪ DẦU MỎ, KHÍ THIÊN
NHIÊN
3.1 Nhiên liệu lỏng nặng (FO) (dầu madút)
Như trên đã trình bày, dầu madút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô
parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Các dầu FO có điểm sôi cao.
Trong kĩ thuật đôi khi người ta còn chia thành dầu FO nhẹ và FO nặng. Vì thế, các đặc
trưng hoá học của dầu madút có những thay đổi đáng kể nhưng không phải tất cả các đặc
trưng này ảnh hưởng tới việc sử dụng chúng làm nhiên liệu và các kỹ thuật sử dụng để đạt
hiệu quả cao.
Một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu madút là độ nhớt được xác định ở
những nhiệt độ quy định, ví dụ ở 20°C và 50°C. Nói chung các từ “nặng” và “nhẹ” được sử
dụng để mô tả các nhiên liệu dầu madút có độ nhớt cao và thấp tương ứng. Những dầu cặn
có độ nhớt cao (> 7000 giây) thông thường phải trải qua bước crackinh nhẹ để phá vỡ
những phân tử nặng và do đó làm giảm độ nhớt của dầu. Quá trình này cũng gây nên sự
thất thoát dầu dưới dạng khí và quá trình được gọi là visbreaking.
Tính chất quan trọng thứ hai của dầu madút là điểm chớp cháy. Điểm chớp cháy cực
tiểu của tất cả các dầu là 65,5°C (~ 150°F).
Tính chất quan trọng thứ 3 của dầu madút là hàm lượng nước. Bởi vì các dầu nặng có
tỉ trọng gần bằng tỉ trọng của nước nên phải giữ dầu không tiếp xúc với nước trong quá
trình sản xuất và bảo quản vì nếu lẫn nước rất khó tách ra khỏi dầu. Tính chất cuối cùng là
các dầu không được chứa cặn sa lắng bởi vì các cặn này sẽ tập trung dần dần ở đáy bể
chứa.
Vì thế, yếu tố cơ bản trong việc sử dụng các dầu madút là khống chế sự cháy của
chúng và chọn lọc cấp dầu cho mục đích sử dụng thích hợp về mặt kĩ thuật như kích thước
buồng đốt cháy, bản chất của thiết bị, kiểu cách và kích thước thiết bị đốt, phương pháp
phun nhiên liệu. Dĩ nhiên, giá cả cũng là một yếu tố bởi vì việc sử dụng các dầu có độ nhớt
cao cần cung cấp nhiệt cho các ống đốt nóng trong các bể chứa, do đó các trạm tiêu thụ sẽ
có giá thành cao.
3.1.1 Bố trí cung cấp dầu cho lò đốt
Dầu cấp cho lò đốt trong công nghiệp cần phải khan nghĩa là loại bỏ hết các hạt nước
phân tán trong dầu và các hạt rắn trong đó. Nhưng hầu hết các thiết bị cung cấp không thể
đáp ứng được yêu cầu này. Khi dầu được cấp bằng cách rót từ các bể chứa thì thông
thường phải sử dụng một cặp bể. Ở đây, ta phải đốt nóng bằng hơi nước để tăng cường
việc tách nước và tăng cường độ chảy lỏng của dầu. Sở dĩ người ta phải dùng kỹ thuật đốt
nóng vì: Ở nhiệt độ thường, việc tách các hạt nước trong dầu rất chậm do sự khác nhau về
- 36
khối lượng riêng giữa chúng rất nhỏ và với độ nhớt cao của dầu thì các hạt lơ lửng này vẫn
tồn tại không thể loại hết được. Khi đốt nóng dầu có hai thay đổi rõ ràng xảy ra: (1) độ
nhớt của dầu bị giảm đi rất nhanh và (2) dầu dãn nở nhiều hơn nước và vì thế sự khác nhau
về khối lượng riêng trở nên lớn. Những hệ số dãn nở tương đối của dầu nặng và của nước
tương ứng là 0,00070 /độ và 0,000476 /độ, vì thế cần đốt nóng để tách được nước ra khỏi
dầu.
Dầu có thể được đốt nóng sơ bộ đến trên điểm chớp cháy nhưng phải ở dưới áp suất
cao và cơ bản là phải đạt được độ mềm để dầu có thể chảy hay phun qua các van. Nhiệt độ
của dầu phải đồng đều và áp suất phải giữ không đổi.
Khi phun không khí hay dầu thì việc cấp dầu có thể thực hiện từ một bể chứa nhiên liệu
hay nhiều bể ở độ cao đủ để tạo thành dòng chảy cần thiết. Vì các dầu rất nhớt không thể
phun một cách có hiệu quả nên việc đốt nóng là cần thiết. Thông thường để đốt nóng người
ta dùng một thiết bị đốt nóng bằng hơi nước bố trí ngay trên đường cấp dầu.
Trong thực tế nhiệt độ cần thiết để bơm dầu là: 38 ÷ 120°C (100 ÷ 250°F) còn nhiệt độ
cần thiết để phun dầu vào lò đốt là: 65,5 ÷ 150°C (150 ÷ 300°F). Ví dụ, dầu có khả năng
bơm được ở nhiệt độ 38°C có độ nhớt khác nhau thì nhiệt độ bơm thay đổi như sau:
Độ nhớt, ở 38°C (st) Nhiệt độ bơm, °C
200 7,5
600 15,5
1500 27,0
Trong các thiết bị phun bằng áp suất, các thiết bị lọc được trang bị giống hệt nhau ở cả
hai phía hút và đẩy của máy bơm dầu. Lưới lọc trong thiết bị lọc của phía hút có kích
thước mắt lỗ lớn hơn so với lưới ở phía phun. Thông thường cỡ lưới phụ thuộc vào độ lỏng
của dầu được sử dụng. Do kĩ thuật phát triển, ngày nay người ta dùng các thiết bị lọc khác
hiệu quả hơn việc dùng lưới lọc như thiết bị lọc dòng chảy (streamline filter) hay thiết bị
lọc “Autoclean”. Trong thiết bị lọc Autoclean, dầu đi từ bên ngoài qua nhiều tấm thép
mỏng đã được khoan lỗ với khoảng hở rất nhỏ giữa các lỗ. Giữa các tấm thép có nhiều dao
bằng thép mỏng được giữ cố định. Khi dầu đi qua thiết bị này các cặn bẩn bị giữ lại và rơi
vào bồn chứa, sau đó bị loại ra ngoài.
3.1.2 Phun dầu và lò đốt bằng dầu
Để dầu cháy hoàn toàn thì dầu phải trộn thật đều với không khí. Về mặt lý thuyết, điều
này có thể thực hiện khá dễ dàng đối với hơi dầu, song rất khó thực hiện được đối với các
dầu nặng. Vì để hoá hơi dầu, phải tăng nhiệt độ, mà tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến phá vỡ phân
tử dầu và tạo nên cặn cốc trong thiết bị hoá hơi và thiết bị đốt cháy bằng kim loại. Tuy
nhiên, vẫn có thể áp dụng được đối với các dầu có nhiệt độ sôi thấp như dầu hoả, dầu trung
gian. Người ta có thể thực hiện được sự hoá hơi bằng cách cho một lượng không khí thích
hợp vào thiết bị hoá hơi.
Với các dầu nặng hơn (như dầu FO nặng, nhẹ) có thể dùng các máy phun khác nhau để
chuyển dầu thành các hạt nhỏ với không khí đưa vào lò đốt. Để tăng diện tích tiếp xúc
nguon tai.lieu . vn
