Đang tải... (xem toàn văn)
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Chương I NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu cho động cơ xăng Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa nhiều các hợp chất khác nhau. Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ, phân đoạn dầu mỏ nói chung hay của xăng thương phẩm nói riêng người ta thường chia thành phần của nó thành hai nhóm chất chủ yếu đó là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất phi hydrocacbon. 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. ThS. Trương Hữu Trì Trang 1 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Khơng kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hồ khí. Khơng tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu. Dầu bơi trơn bị pha lỗng 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 mơi 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 q trình này rất thấp chỉ vào khoảng 15% khối lượng dầu thơ ban đầu. Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này khơng 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 hố . . . Ngồi lý do vừa nêu ở trên thì do u 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 q trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các u 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 q trình FCC Reformat Xăng chưng cất trực tiếp Xăng của q trình isomer hố Alkylat Xăng của q trình giảm nhớt, cốc hố, các q trình xử lý bằng hydro Xăng thu được từ các q trình tổng hợp như Methanol, Ethanol, MBTE. Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phơi trộn, phần còn lại phụ thuộc vào u cầu về chất lượng của xăng và u cầu của từng Quốc gia mà nguồn ngun liệu và hàm lượng của nó được chọn khác nhau. ThS. Trương Hữu Trì Trang 2 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Ví dụ: - Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Mỹ (trước năm 2000) 34,744,7131,85,636,2ReformatNaphta nh?IsomerisatAlkylat/PolymerisatEtherButanXăng FCC - Tỷ lệ của các nguồn phối trộn xăng thương phẩm ở Tây Âu (trước năm 2000) 49,67,655,91,85,727,1ReformatNaphta nh?IsomerisatAlkylat/PolymerisatEtherButanXăng FCC - Tỷ lệ phối trộn ở Pháp từ năm 2000 Reformat 35% < < 45% Butan 5% Xăng FCC 15% < < 25% Xăng isomer hoá 0% < < 15% Alkylat 0% < < 20% MTBE 0% < < 5% (trường hợp đặc biệt <15%) ThS. Trương Hữu Trì Trang 3 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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. ThS. Trương Hữu Trì Trang 4 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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 6 12.27 1.03 2.09 0.06 2.22 17.67 7 11.52 1.41 1.40 0 12.84 27.17 8 4.26 0.05 0.12 0 16.70 21.13 9 0.65 0 0 0 10.76 11.41 10 0 0 0 0 3.08 3.08 11 0 0 0 0 0.19 0.19 Tổng 41.8.0 2.67 7.36 0.12 45.79 97.74 Các cấu tử không xác định chiếm 2.26% Các giá trị được cung cấp bởi IFP ThS. Trương Hữu Trì Trang 5 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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 % 4 5.14 0.3 0 1.49 0 0 6.93 5 1.26 7.84 0 10.11 0 0.5 19.71 6 0.64 6.34 1.19 5.07 1.23 3 17.47 7 0.65 3.22 1.05 1.56 8.11 0 14.59 8 0.48 11.47 0.43 0.34 13.61 0 26.33 9 0.11 1.12 0.16 0.07 9.49 0 10.95 10 0.01 0.09 0.09 0.02 2.80 0 3.01 11 0 0.1 0 0 0.25 0 0.35 12 0 0.61 0 0 0 0 0.61 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 ThS. Trương Hữu Trì Trang 6 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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. ThS. Trương Hữu Trì Trang 7 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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 ThS. Trương Hữu Trì Trang 8 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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. ThS. Trương Hữu Trì Trang 9 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 1.4. Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng 1.4.1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng ThS. Trương Hữu Trì Trang 10 [...]... 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: ThS Trương Hữu Trì RC GPL Trang 28 Xàng Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Theo sơ đồ này, nhiên liệu Diesel nhận được từ các nguồn như sau: ThS Trương Hữu Trì Trang 29 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Phân đoạn Gasoil của tháp chưng cất khí quyển (phân đoạn chính để phối... 70 85 215 2 8 65 100 20 50 1250 43 70 85 215 2 FVI =PVR (mbar) +7E70 ThS Trương Hữu Trì Trang 24 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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... liệu (%) 20 1.5 2.25 35 2 2.9 50 2.5 3.5 ThS Trương Hữu Trì Trang 26 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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... toàn ThS Trương Hữu Trì Trang 22 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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... ThS Trương Hữu Trì Trang 12 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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... 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... hàm lượng aromatic và các chất không no cũng giảm đi nhiều lần ThS Trương Hữu Trì Trang 32 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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) - Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) - Lưu huỳnh(%)... tốt tức là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon, hàm lượng chất thơm rất thấp, chỉ số cetan cao ThS Trương Hữu Trì Trang 33 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu (áp suất chung 27 bar, V.V.H 3) Tính chất Nguyên (RA) liệu Sản phẩm - Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Thành phần cất(oC) PI 50% 90%... chất lượng gasoil tốt hơn Khi độ nghiêm ngặt tăng lên thì chất lượng của gasoil cũng tăng lên ThS Trương Hữu Trì Trang 34 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi khử lưu huỳnh sâu (áp suất chung 27 bar, V.V.H 3) Tính chất Nguyên liệu: 80% RA+20%LCO Sản phẩm - Khôi lượng riêng ở 15oC (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC 50oC - Lưu huỳnh(%) - Nitơ ppm - Thành phần cất(oC) PI 50%... là kết quả thu được trong trường hợp độ nghiêm ngặt cao hơn) Kết quả thu được ở đây hoàn toàn giống như trên ThS Trương Hữu Trì Trang 35 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm So sánh tính chất của gasoil trước và sau khi xử lý bằng hydrocacbon Tính chất Nguyên (RA) liệu Sản phẩm P 50 bar P 75bar VVH 1 VVH 0.5 0.825 0.818 6.14 5.3 5.27 2.99 2.71 2.6 - Khôi lượng riêng ở 15oC 0.846 (kg/lit) - Độ nhớt (cSt) 20oC . 6 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm 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. học của xăng thương phẩm còn có mặt các hợp chất đói. ThS. Trương Hữu Trì Trang 4 Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm Sự phân
